ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΕΝΑΝΤΙ ΠΥΡΚΑΓΙΑΣ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ Σχολή Πολιτικών Μηχανικών Εργαστήριο Μεταλλικών Κατασκευών ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΕΝΑΝΤΙ ΠΥΡΚΑΓΙΑΣ R90 ΚΩΝΣΤΑΝΤΟΠΟΥΛΟΥ Δ. ΣΟΦΙΑ - ΠΕΤΙΚΙΔΗΣ Π. ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ R60 R60 R90 R60 R60 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΕΝΑΝΤΙ ΠΥΡΚΑΓΙΑΣ R60 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΑΝΩ ΣΤΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ ΤΟΥ ΜΕΡΟΥΣ 1 - ΤΩΝ EC1, EC3 & EC4 Διπλωματική Εργασία Κωνσταντοπούλου Δ. Σοφία και Πετικίδης Π. Δημήτριος Επιβλέπων Καθηγητής: Γεώργιος Ιωαννίδης Αθήνα, Οκτώβριος 01 ΕΜΚ ΜΕ 01/03

2 Κωνσταντοπούλου Δ. Σ. & Πετικίδης Π. Δ. (01). Σχεδιασμός έναντι πυρκαγιάς Αριθμητικές εφαρμογές πάνω στα παραρτήματα του μέρους 1- των EC1, ΕC3 & EC4 Διπλωματική Εργασία ΕΜΚ ΜΕ 01/03 Εργαστήριο Μεταλλικών Κατασκευών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Αθήνα. Konstantopoulou D. S. & Petikidis P. D. (01). Structural fire design Calculation models based on the annexes of the part 1- from EC1,EC3 & EC4 Diploma Thesis ΕΜΚ ΜΕ 01/03 Institute of Steel Structures, National Technical University of Athens, Greece

3

4 Πίνακας περιεχομένων Περίληψη... 3 Abstract... 4 Ευχαριστίες Εισαγωγή Γενικά Εξέλιξη μιας πυρκαγιάς Βασικά χαρακτηριστικά που επηρεάζουν την εξέλιξη της πυρκαγιάς Θερμικές ιδιότητες Θερμικές ιδιότητες χάλυβα Θερμικές ιδιότητες ανοξείδωτου χάλυβα Θερμικές δράσεις για την ανάλυση της θερμοκρασίας Ονομαστικές καμπύλες Η πρότυπη καμπύλη θερμοκρασίας χρόνου ISO Παραμετρικές καμπύλες θερμοκρασίας χρόνου Προσδιορισμός παραμετρικών καμπυλών Ανάπτυξη θερμοκρασίας του χάλυβα σε μη προστατευμένα εσωτερικά δομικά μέλη από χάλυβα Συντελεστής διατομής για μη μονωμένα χαλύβδινα δομικά στοιχεία Ανάπτυξη της θερμοκρασίας του χάλυβα σε εσωτερικά δομικά μέλη από χάλυβα μονωμένα με υλικά πυροπροστασίας Αριθμητικές εφαρμογές Θερμικές δράσεις σε εξωτερικά μέλη - Απλοποιημένη μέθοδος υπολογισμού Απλοποιημένη μέθοδος υπολογισμού Προϋποθέσεις χρήσης μεθόδου Επίδραση ανέμου Χαρακτηριστικά της φωτιάς και των φλογών Συνολικοί συντελεστές διάταξης Μεταφορά θερμότητας σε εξωτερικά δομικά στοιχεία από χάλυβα Βασικές αρχές Θερμική ισορροπία Υποστύλωμα μη περιβαλλόμενο από φλόγες Μεταφορά θερμότητας δι ακτινοβολίας Ικανότητα ακτινοβολίας της φλόγας Απορροφητικότητα της θερμότητας που εκπέμπεται από μία φλόγα Συντελεστής Διάταξης Eπίδραση σκίασης (shadow effects) Εξωτερικά μέλη Αριθμητικές εφαρμογές Τοπικές πυρκαγιές Όταν η φλόγα δεν επηρεάζει την οροφή του πυροδιαμερίσματος Όταν η φλόγα επηρεάζει την οροφή του πυροδιαμερίσματος Αριθμητικές εφαρμογές Πυκνότητα πυροθερμικού φορτίου Προσδιορισμός της πυκνότητας πυροθερμικού φορτίου Προστατευμένα πυροθερμικά φορτία Αντίδραση στην καύση

5 4.1.4 Ρυθμός εκροής θερμότητας Q Ισοδύναμος χρόνος έκθεσης στη φωτιά Αριθμητικές εφαρμογές Ευρωκώδικας 4 Σχεδιασμός σύμμικτων κατασκευών από χάλυβα και σκυρόδεμα. Μέρος 1-: Γενικοί Κανόνες - Σχεδιασμός έναντι πυρκαγιάς Παράρτημα D: Προσομοίωμα για τον υπολογισμό της αντοχής έναντι πυρκαγιάς των απροστάτευτων σύμμεικτων πλακών, που εκτίθενται σε πυρκαγιά κάτω από την πλάκα σύμφωνα με την πρότυπη καμπύλη θερμοκρασίας χρόνου Εισαγωγή Αντοχή έναντι πυρκαγιάς με βάση τη θερμική μόνωση Υπολογισμός της θετικής καμπτικής ροπής αντοχής M fi,rd Υπολογισμός της αρνητικής καμπτικής ροπής αντοχής M fi,rd - : Ενεργό πάχος μιας σύμμικτης πλάκας Πεδίο εφαρμογής Αριθμητικές εφαρμογές Υπολογισμός αντοχής απροστάτευτης σύμμικτης πλάκας με χαλυβδόφυλλο τραπεζοειδούς διατομής, που εκτίθεται σε πυρκαγιά κάτω από την πλάκα σύμφωνα με την πρότυπη καμπύλη θερμοκρασίας χρόνου Παρατηρήσεις και Συμπεράσματα Διερεύνηση Παράρτημα G: Προσομοίωμα ισόρροπου αθροίσματος για τον υπολογισμό της αντοχής έναντι πυρκαγιάς σύμμικτων υποστυλωμάτων, με μερικώς εγκιβωτισμένες διατομές χάλυβα, για κάμψη περί τον ασθενή άξονα, τα οποία εκτίθενται σε πυρκαγιά γύρω από το υποστύλωμα σύμφωνα με την πρότυπη καμπύλη θερμοκρασίας χρόνου Εισαγωγή Αριθμητική εφαρμογή 1 η Μερικώς εγκιβωτισμένο υποστύλωμα σε κατάσταση πυρκαγιάς Επαλήθευση βάσει των πινακοποιημένων δεδομένων Συμπεράσματα και παρατηρήσεις Διερεύνηση Αριθμητική εφαρμογή η Αριθμητική εφαρμογή 3 η Συμπεράσματα Βιβλιογραφία

6 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΜΚ ΔΕ 01/03 Σχεδιασμός έναντι πυρκαγιάς Αριθμητικές εφαρμογές πάνω στα παραρτήματα του μέρους 1- των EC1, ΕC3 & EC4 Κωνσταντοπούλου Δ. Σ. και Πετικίδης Π. Δ. (Επιβλέπων: Ιωαννίδης Γ.) Περίληψη Ο σχεδιασμός έναντι πυρκαγιάς είναι μια σημαντική και απαραίτητη προϋπόθεση για το σχεδιασμό κτιρίων και έργων πολιτικού μηχανικού. Όλα τα κτίρια πρέπει να πληρούν ορισμένες λειτουργικές απαιτήσεις και αυτά συνήθως συνδέονται με το σκοπό και το ύψος του κτιρίου. Η πιο σημαντική απαίτηση είναι το κτίριο να διατηρήσει τη σταθερότητά του για ένα εύλογο χρονικό διάστημα. Η πιο κοινή μέθοδος σχεδιασμού έναντι πυρκαγιάς είναι να σχεδιαστεί το κτίριο για φόρτιση σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και στη συνέχεια να καλυφθούν τα χαλύβδινα μέλη με υλικά πυροπροστασίας για να διασφαλιστεί ότι δεν θα ξεπεραστεί μία συγκεκριμένη θερμοκρασία. Η διαδικασία σχεδιασμού του Ευρωκώδικα μπορεί να απλοποιηθεί σε τρία βήματα που είναι ο χαρακτηρισμός του μοντέλου πυρκαγιάς, η μελέτη της διανομής της θερμοκρασίας εντός της κατασκευής και η εκτίμηση της απόκρισης της κατασκευής στη φωτιά. Πληροφορίες για τις θερμικές δράσεις για την ανάλυση της θερμοκρασίας δίνονται στο EN και η μέθοδος που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της αύξησης της θερμοκρασίας των δομικών μεταλλικών μελών (είτε είναι μονωμένα είτε μη μονωμένα) βρίσκεται στο ΕΝ Οι διαδικασίες σχεδιασμού για την επίτευξη αντοχής ορίζεται στο πρότυπο EN 1993, αλλά οι δράσεις (ή τα φορτία) που θα χρησιμοποιηθούν λαμβάνονται από τα σχετικά μέρη του EN Επίσης εξετάζεται η αντοχή σύμμικτων στοιχείων σε υψηλές θερμοκρασίες, υπολογίζονται δε οι αντοχές των στοιχείων αυτών με βάση τις απαιτήσεις του Ευρωκώδικα 4 μέρος 1-. Έχουν μελετηθεί και πραγματοποιηθεί δύο περιπτώσεις-αριθμητικές εφαρμογές εμπνευσμένες από τα παραρτήματα του EN και συγκεκριμένα από τα παραρτήματα D και G. Στο τέλος κάθε εφαρμογής ακολουθούν τα συμπεράσματα και κάποιες παρατηρήσεις καθώς και επιπλέον διερεύνηση με αριθμητικά παραδείγματα και σύγκριση αντοχών. 3

7 NATIONAL TECHNICAL UNIVERSITY OF ATHENS FACULTY OF CIVIL ENGINEERING INSTITUTE OF STEEL STRUCTURES DIPLOMA THESIS ΕΜΚ MΕ 01/03 Structural fire design Calculation models based on the annexes of the part 1- from EC1,EC3 & EC4 Konstantopoulou D. S. & Petikidis P. D. (Supervisor Ioanidis G.) Abstract Designing for fire is an important and essential requirement in the design process of buildings and civil engineering structures. All buildings must meet certain functional requirements and these are usually linked to the purpose and height of the building. The most important requirement is for the building to retain its stability for a reasonable period. The most common method of designing a steel structure for the fire condition is to design the building for the ambient temperature loading condition and then to cover the steel members with proprietary fire protection materials to ensure that a specific temperature is not exceeded. The Eurocode process can be simplified in to three components consisting of the characterisation of the fire model, a consideration of the temperature distribution within the structure and an assessment of the structural response to the fire. Information on thermal actions for temperature analysis is given in EN and the method used to calculate the temperature rise of structural steelwork (either protected or unprotected) is found in EN The design procedures to establish structural resistance are set out in EN 1993 but the actions (or loads) to be used for the assessment are taken from the relevant parts of EN Also this thesis examines and calculates the fire resistance of composite sections at elevated temperatures based on the requirements of the Eurocode 4 section 1-. Two different cases-numerical examples inspired by the annexes D and G have been developed. At the very end of each example, there is a section with remarks and conclusions, which are followed by an investigation with further examples. The new results of resistance are compared against the previous ones. 4

8 Ευχαριστίες Με τη διπλωματική εργασία αυτή ολοκληρώνεται η φοίτησή μας στη Σχολή Πολιτικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Με την αφορμή αυτή θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τον Καθηγητή του Ε.Μ.Π. κύριο Γεώργιο Ιωαννίδη, επιβλέποντα της διπλωματικής μας εργασίας, για την πολύτιμη βοήθεια και υποστήριξη που μας προσέφερε κατά τη διάρκεια εκπόνησής της. Τον ευχαριστούμε για τον χρόνο που μας αφιέρωσε, την υπομονή, συνεργασία και θέληση, να μας μεταδώσει τις επιστημονικές του γνώσεις και εμπειρία. Επίσης, θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τους γονείς, τα αδέρφια και τους φίλους μας για την συνεχή ηθική υποστήριξη που μας προσέφεραν κατά τη διάρκεια εκπόνησης αυτής της διπλωματικής εργασίας αλλά και καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μας στο Ε.Μ.Π. Τέλος, θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε την Μαρίνα Παπαπαναγιώτου για την καλλιτεχνική επιμέλεια του εξωφύλλου. 5

9 6

10 1 Εισαγωγή 1.1 Γενικά Σκοπός της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι η μελέτη των διατάξεων του ΕC1, EC3 και EC4 και ειδικότερα του μέρους 1-. Πιο συγκεκριμένα μελετώνται τα παραρτήματα των Ευρωκωδίκων. Για την καλύτερη κατανόηση των κειμένων αυτών, πραγματοποιήθηκαν αριθμητικές εφαρμογές. Αρχικά, στο 1 ο κεφάλαιο μελετώνται οι παραμετρικές καμπύλες θερμοκρασίας χρόνου (παράρτημα Α του ΕΝ ). Οι καμπύλες αυτές σχεδιάστηκαν ώστε να λαμβάνονται υπόψη τα χαρακτηριστικά του πυροδιαμερίσματος (αερισμός, περίβλημα, πυροθερμικό φορτίο). Επίσης εκτιμάται η συμπεριφορά του χάλυβα σε υψηλές θερμοκρασίες. Οι θερμικές ιδιότητες του χάλυβα εξαρτώνται από τη μεταβολή της θερμοκρασίας. Αναφέρονται επίσης οι τύποι που σχετίζουν τη μεταβολή της θερμοκρασίας του αέρα με την αναπτυσσόμενη θερμοκρασία στο χάλυβα μονωμένου και μη μέλους. Τέλος αναφέρονται κάποια παραδείγματα στα οποία υπολογίζονται οι παραμετρικές καμπύλες για δεδομένα στοιχεία πυροδιαμερίσματος. Στο ο σχετίζεται με τις θερμικές δράσεις που αναπτύσσονται στα εξωτερικά μέλη μιας κατασκευής (παράρτημα Β, ΕΝ ). Αρχικά εκτιμούνται οι συνθήκες πυροδιαμερίσματος (θερμοκρασία, διαστάσεις φλόγας) για συνθήκες με ή χωρίς ρεύμα αέρα και στη συνέχεια προσδιορίζεται η θερμοκρασία του χαλύβδινου εξωτερικού μέλους. Στο 3 ο αναφέρεται η ειδική περίπτωση των τοπικών πυρκαγιών (παράρτημα C). Γίνεται εκτίμηση των θερμικών δράσεων (με τη βοήθεια ενός αριθμητικού παραδείγματος) για την περίπτωση που οι φλόγες δεν αγγίζουν το δομικό μέλος και για την περίπτωση που οι φλόγες το περιβάλλουν. Αντικείμενο του 4 ου κεφαλαίου είναι η εκτίμηση της πυκνότητας του πυροθερμικού φορτίου q f,d (παράρτημα Ε).. Το 5 ο κεφάλαιο υποδεικνύει τον τρόπο υπολογισμού του ισοδύναμου χρόνου έκθεσης στην πυρκαγιά t e,d, του χρόνου δηλαδή στον οποίο λαμβάνουμε το ίδιο θερμικό αποτέλεσμα από την πρότυπη καμπύλη ISO και την αντίστοιχη παραμετρική (παράρτημα F). Στο 6 ο κεφάλαιο γίνεται υπολογισμός αντοχής απροστάτευτης σύμμικτης πλάκας, με χαλυβδόφυλλο τραπεζοειδούς διατομής, που εκτίθεται σε πυρκαγιά κάτω από την πλάκα σύμφωνα με την πρότυπη καμπύλη θερμοκρασίας-χρόνου. Πραγματοποιήθηκε επίλυση μιας δεδομένης του εμπορίου σύμμικτης πλάκας που αποτελεί φέρων στοιχείο σε εμπορικό κέντρο. Αρχικά επιλέχθηκε δείκτης πυραντίστασης και έγινε έλεγχος σε φάση κατασκευής και φάση λειτουργίας σε συνήθεις συνθήκες. Έπειτα ακολούθησε ο έλεγχος σε κατάσταση πυρκαγιάς. Εξετάστηκε το εύρος εφαρμογής των γεωμετρικών στοιχείων, το κριτήριο μονωτικής ικανότητας και το κριτήριο φέρουσας ικανότητας. Εξακριβώθηκε η επάρκεια της σύμμικτης διατομής σε κατάσταση πυρκαγιάς με τον προεπιλεγμένο δείκτη πυραντίστασης. Στη συνέχεια ακολουθούν παρατηρήσεις και συμπεράσματα που προκύπτουν από την πορεία επίλυσης. Έπεται η διερεύνηση που επικεντρώνεται στη σημασία καταρχήν ύπαρξης των ευθύγραμμων ράβδων οπλισμού στις νευρώσεις του χαλυβδόφυλλου και κατ επέκταση της θέσης τους και επικάλυψή τους από το σκυρόδεμα. Αποδεικνύεται ότι εφόσον έχουν επαρκή επικάλυψη αποτελούν τον οπλισμό που δίνει την απαιτούμενη εφελκυστική αντοχή σε κατάσταση πυρκαγιάς. Κρίσιμος επίσης και ο άνω πρόσθετος οπλισμός (εσχάρα) που οφείλεται στις αρνητικές ροπές. Ως συντηρητική προσέγγιση, μπορεί να αμελείται η συμβολή του χαλύβδινου καταστρώματος στην αρνητική ροπή αντοχής σε κάμψη. Στο 7ο κεφάλαιο γίνεται χρήση του προσομοιώματος ισόρροπου αθροίσματος για τον υπολογισμό της αντοχής έναντι πυρκαγιάς δεδομένου σύμμικτου υποστυλώματος με μερικώς 7

11 εγκιβωτισμένη διατομή χάλυβα για κάμψη περί του αδύναμου άξονα, το οποίο εκτίθεται σε πυρκαγιά γύρω από το υποστύλωμα σύμφωνα με την πρότυπη καμπύλη θερμοκρασίας χρόνου. Ακολουθεί επαλήθευση βάσει των πινακοποιημένων δεδομένων. Έγινε αρχικά επιλογή σύμμικτης διατομής και δεδομένων άσκησης. Ορίστηκε ο δείκτης πυραντίστασης. Καταρχήν πραγματοποιήθηκε έλεγχος σε συνήθεις συνθήκες και έγινε υπολογισμός του αξονικού φορτίου λυγισμού σχεδιασμού. Εξακριβώθηκε η επάρκεια. Στο σχεδιασμό έναντι πυρκαγιάς ελέχθησαν αν τα γεωμετρικά στοιχεία της διατομής βρίσκονται στο πεδίο εφαρμογής και στη συνέχεια υπολογίστηκε για κάθε ένα από τα μέλη ξεχωριστά η μειωμένη τιμή σχεδιασμού της πλαστικής αντοχής σε αξονική θλίψη και η μειωμένη δυσκαμψία σε κάμψη. Το άθροισμα των επιμέρους αποτελεί την πλαστική αντοχή σε αξονική θλίψη της συνολικής σύμμικτης διατομής. Ακολουθεί ο υπολογισμός αξονικού φορτίου λυγισμού στην κατάσταση πυρκαγιάς και η επιβεβαίωση επάρκειας. Στη συνέχεια έγινε σύγκριση των αποτελεσμάτων αυτών με τα πινακοποιημένα αποτελέσματα και εξαγωγή συμπερασμάτων. Στο πλαίσιο της περαιτέρω διερεύνησης επιλύθηκαν δύο επιπλέον αριθμητικές εφαρμογές με τα ίδια ακριβώς δεδομένα με την πρώτη αλλά με αναβάθμιση της ποιότητας σκυροδέματος στην πρώτη και της ποιότητας δομικού χάλυβα στη δεύτερη. Γίνεται εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων ως προς την αντοχή της σύμμικτης διατομής με το δεδομένο δείκτη πυραντίστασης. 1. Εξέλιξη μιας πυρκαγιάς 1..1 Βασικά χαρακτηριστικά που επηρεάζουν την εξέλιξη της πυρκαγιάς Η εξέλιξη μιας πυρκαγιάς, δηλαδή η μεταβολή των θερμοκρασιών συναρτήσει του χρόνου σε ένα χώρο, είναι το πρώτο ουσιαστικό βήμα στη μελέτη και το σχεδιασμό των κατασκευών. Στο παρακάτω σχήμα σε άξονες χρόνου-θερμοκρασίας δίνεται η καμπύλη της φυσικής εξέλιξης μιας πυρκαγιάς σε ένα δωμάτιο θεωρώντας ότι δεν υπάρχει περίπτωση καταστολής από αυτόματους καταιωνητήρες ή από πυροσβέστες. Στα αρχικά στάδια της εξέλιξης μιας πυρκαγιάς πραγματοποιείται η θέρμανση των αερίων του περιβάλλοντος. Η έναρξη της φλεγόμενης καύσης σηματοδοτεί τη μετάβαση από τα αρχικά στάδια στην εξάπλωση της πυρκαγιάς (growth period). Στην περίοδο αυτή οι περισσότερες πυρκαγιές διαδίδονται αρχικά με αργό ρυθμό στις καύσιμες επιφάνειες, κατόπιν γρηγορότερα, δεδομένου ότι αυξάνεται η ένταση τους με την ακτινοβολία και την ανατροφοδότηση από τις φλόγες και τα καυτά αέρια στα δομικά στοιχεία που φλέγονται. Σχήμα 1.1: Καμπύλη μεταβολής θερμοκρασίας-χρόνου για τυπική πυρκαγιά 8

12 Αν οι θερμοκρασίες της επιφάνειας των σωμάτων φτάσουν τους 600 C, η θερμοκρασία αυξάνεται σε μικρό χρονικό διάστημα, ώστε να οδηγήσει στην ανάφλεξη (flashover) της πυρκαγιάς με την οποία γίνεται και η μετάβαση στην περίοδο πλήρους ανάπτυξης της πυρκαγιάς (burning period). Η αύξηση της θερμοκρασίας σε συνάρτηση με το χρόνο στην περίοδο ανάπτυξης (growth period) της πυρκαγιάς γενικώς εξαρτάται από τη φύση των καιγόμενων επιφανειών, σε αντίθεση με τη περίοδο πλήρους ανάπτυξης της πυρκαγιάς (burning period), όπου οι θερμοκρασίες και η θερμική ροή λόγω ακτινοβολίας μέσα στο δωμάτιο είναι τόσο μεγάλες, που όλες οι επιφάνειες καίγονται και ο ρυθμός απελευθέρωσης θερμότητας ελέγχεται από το διαθέσιμο αερισμό. Η περίοδος πλήρους ανάπτυξης της πυρκαγιάς(burning period) είναι αυτή που επιδρά στα δομικά στοιχεία και στα όρια των διαμερισμάτων. Εάν η φωτιά συνεχίσει, τότε όλα τα καύσιμα υλικά καίγονται και οι θερμοκρασίες μειώνονται, μεταβαίνοντας έτσι από την περίοδο ανάπτυξης της πυρκαγιάς στην περίοδο εξασθένισης (decay period). Ο ρυθμός μεταβολής της θερμοκρασίας σε αυτή την περίοδο εξασθένισης της φωτιάς εξαρτάται από τα υλικά καύσιμα, που συνεχώς μειώνονται, ενώ δεν μας ενδιαφέρει πια ο αερισμός. 1.3 Θερμικές ιδιότητες Θερμικές ιδιότητες χάλυβα 1. Η πυκνότητα ρ,. Η ειδική θερμότητα c a, 3. Η θερμική αγωγιμότητα λ a H πυκνότητα του χάλυβα ρ a, δηλαδή η μάζα του υλικού ανά μονάδα όγκου δεν μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία και έχει τιμή 7850kg /m 3. Η ειδική θερμότητα c a, περιγράφει το ποσό της εισαγόμενης θερμότητας που απαιτείται για να αυξηθεί η θερμοκρασία της μοναδιαίας μάζας του υλικού κατά 1 C. Για απλούς υπολογισμούς υιοθετούμε μια μέση ειδική θερμότητα του χάλυβα ίση με 600 J/kgK. Η ειδική θερμότητα αυξάνεται δραματικά στους 700 C κατά τη διάρκεια της μεταλλουργικής αλλαγής του χάλυβα και στο σημείο αυτό μπορεί να υπάρξει μια ελαφρώς μικρή καθυστέρηση στην αύξηση της θερμοκρασίας, σε μια καθορισμένη ιδεατή δοκιμή φωτιάς. Πάνω από 750 C η ειδική θερμότητα πέφτει σε χαμηλότερο επίπεδο. Η ειδική θερμότητα του χάλυβα c a θα προσδιορίζεται από τις ακόλουθες σχέσεις: 1. για 0 C θ α < 600 C: ca = θα θα θα J/kgK. για 600 C θ α < 735 C:, (1.1) c a 1300 = J/kgK 738 θ α, (1.) 3. για 735 C θ α < 900 C: c a 1780 = J/kgK θ α 731, (1.3) 9

13 4. για 900 C θ α 100 C: c a = 650 J/kgK, (1.4) όπου: θ α είναι η θερμοκρασία του χάλυβα [ C] Η θερμική αγωγιμότητα λ a για το χάλυβα είναι το ποσό της θερμότητας ανά δευτερόλεπτο, που διέρχεται από τη μονάδα επιφάνειας του υλικού για μοναδιαία αύξηση της θερμοκρασίας (μεταβολή θερμοκρασίας 1 C ανά μονάδα μήκους). Αυτή η παράμετρος δεν είναι τόσο σημαντική για το χάλυβα όσο για τα υλικά προστασίας του χάλυβα. Και τούτο γιατί η θερμική αγωγιμότητα του χάλυβα είναι 50 φορές μεγαλύτερη από τη θερμική αγωγιμότητα του τσιμέντου και 500 φορές μεγαλύτερη από τα κοινά υλικά προστασίας. Η θερμική αγωγιμότητα του χάλυβα είναι περίπου 54 W/mΚ σε θερμοκρασία δωματίου και μειώνεται σε μια μέση τιμή 45 W/mΚ σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Η θερμική αγωγιμότητα του χάλυβα θα προσδιορίζεται από τις ακόλουθες σχέσεις: a 1. για 0 o C θ α < 800 ο C : λ = θa W/mK. για 800 C θ α 100 ο C :, (1.5) λ a = 7.3 W/mK, (1.6) όπου: θ α είναι η θερμοκρασία του χάλυβα [ C] Θερμικές ιδιότητες ανοξείδωτου χάλυβα Οι θερμικές ιδιότητες του ανοξείδωτου χάλυβα λαμβάνονται από το Παράρτημα C του ΕΝ Η πυκνότητα του ανοξείδωτου χάλυβα ρ a, δηλαδή η μάζα του υλικού ανά μονάδα όγκου, δεν μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία και έχει τιμή 7850kg /m 3. Η ειδική θερμότητα του ανοξείδωτου χάλυβα c a μπορεί να προσδιορίζεται από τη σχέση: c = + θ θ + θ a a a a J/kgK (1.7) Η θερμική αγωγιμότητα λ a του ανοξείδωτου χάλυβα μπορεί να προσδιορίζεται από τη σχέση: λ = + a θa W/mK (1.8) όπου: θ a είναι η θερμοκρασία του χάλυβα [ C] 10

14 1.3.3 Θερμικές δράσεις για την ανάλυση της θερμοκρασίας Οι θερμικές δράσεις εκφράζονται από την καθαρή θερμική ροή h net (W/m ) στην επιφάνεια ενός μέλους. Η θερμική ροή σχεδιασμού h net,d σε επιφάνειες που εκτίθενται στη φωτιά, προκύπτει από το άθροισμα της θερμικής ροής λόγω αφ ενός (h net,c ) της επαφής θερμού αέρα-χάλυβα (convection) και αφετέρου (h net,r ) της ακτινοβολίας των φλογών (radiation) : h = h + h net, d net, c net, r (1.9) Η θερμική ροή λόγω επαφής θερμού αέρα-χάλυβα h net,c ορίζεται ως: h ( ) = α Θ Θ net, c c g m (1.10) όπου, α c είναι ο συντελεστής μεταφοράς της θερμότητας δια συναγωγής (W/m K) Θ g είναι η θερμοκρασία του αέρα κοντά στο μεταλλικό μέλος ( ο C) Θ m είναι η θερμοκρασία του μεταλλικού μέλους ( ο C) Η θερμική ροή λόγω ακτινοβολίας h net,r ορίζεται ως: ( ) ( ) 4 4 hnet, r =Φ εm εf σ Θ r + 73 Θ m + 73 (1.11) όπου, Φ είναι ο συντελεστής διάταξης ε m είναι ο συντελεστής ικανότητας ακτινοβολίας (emissivity) του μέλους, ε m = 0.7 για τον ανθρακούχο χάλυβα, ε m = 0.5 για τον ανοξείδωτο χάλυβα και ε m = 0.8 για άλλα υλικά. ε f είναι ο συντελεστής ικανότητας ακτινοβολίας (emissivity) της φλόγας, ε f = 1.0. σ είναι η σταθερά του νόμου Stephan Boltzmann (= W/m K 4 ) Θ r είναι η θερμοκρασία του ακτινοβολούντος περιβάλλοντος του μέλους ( ο C) και μπορεί να λαμβάνεται ίση με τη θερμοκρασία του αέρα Θ g. Θ m είναι η θερμοκρασία του μεταλλικού μέλους ( ο C). 1.4 Ονομαστικές καμπύλες Η πρότυπη καμπύλη θερμοκρασίας χρόνου ISO Η πρότυπη καμπύλη θερμοκρασίας χρόνου χαρακτηρίζεται από θερμοκρασία αέρα στο πυροδιαμέρισμα η οποία αυξάνεται συνεχώς με το χρόνο, αλλά με επιβραδυνόμενο ρυθμό. Η συνάρτηση αυτή δεν παριστά κανένα τύπο φυσικής φωτιάς σε κτίριο και ο δείκτης πυραντίστασης που αναφέρεται στην καμπύλη αυτή δε δείχνει τον πραγματικό χρόνο κατά τον οποίο ένα στοιχείο θα επιζήσει σε μία πυρκαγιά κτιρίου, αλλά αποτελεί συγκριτική ένδειξη της πιθανότητας ενός στοιχείου να επιβιώσει σε μία σοβαρή πυρκαγιά. Η μεταβολή της θερμοκρασίας συναρτήσει του χρόνου κατά τον ISO-834 είναι: g 10 ( t ) Θ = log όπου : (1.1) 11

15 Θ g είναι η θερμοκρασία του αέρα στο πυροδιαμέρισμα ( o C) T είναι ο χρόνος (min) Ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας δια συναγωγής είναι : α = 5 W/m K c Θερμοκρασία αέρα ( o C) Καμπύλη ISO Χρόνος t(min) Σχήμα 1.: Πρότυπη καμπύλη θερμοκρασίας χρόνου 1.5 Παραμετρικές καμπύλες θερμοκρασίας χρόνου Οι παραμετρικές καμπύλες θερμοκρασίας χρόνου δημιουργήθηκαν από την ανάγκη να ληφθούν υπ όψιν οι παράγοντες που επηρεάζουν την εξέλιξη της πυρκαγιάς. Οι παράγοντες αυτοί είναι το πυροθερμικό φορτίο, τα ανοίγματα και οι θερμικές ιδιότητες του περιβλήματος του πυροδιαμερίσματος. Επιπλέον, οι καμπύλες αυτές έχουν το χαρακτηριστικό (αντίθετα με τις πρότυπες) να διαθέτουν καθοδικό κλάδο που αντιστοιχεί στην πτώση της θερμοκρασία του αέρα μετά την αιχμή της πυρκαγιάς. Οι παραμετρικές καμπύλες θερμοκρασίας χρόνου είναι το αντικείμενο του Παραρτήματος Α του ΕΝ Προσδιορισμός παραμετρικών καμπυλών Οι καμπύλες θερμοκρασίας χρόνου κατά τη φάση ανάπτυξης της πυρκαγιάς (ανοδικός κλάδος) δίνονται από τη σχέση : ( ) 0, t * 1,7 t * 19 t * Θ g = e e (1.13) όπου: Θ g η θερμοκρασία του αέρα στο πυροδιαμέρισμα ( ο C) t * ο σχετικός χρόνος (h) όπου, * t = t Γ (1.14) 1

16 t Γ χρόνος (h) συντελεστής εξαρτώμενος από τις συνθήκες αερισμού Γ= [ Ob] ( 0.04 /1160) (1.15) b b= συντελεστής εξαρτώμενος από τη μονωτική ικανότητα του περιβλήματος, ( ρλ c ) με τον ακόλουθο περιορισμό: 100 b 00 (J/m s 1/ K) ρ πυκνότητα του υλικού του περιβλήματος (kg/m 3 ) c ειδική θερμότητα του περιβλήματος (J/kgK) λ θερμική αγωγιμότητα του περιβλήματος (W/mK) O συντελεστής επιρροής ανοιγμάτων: Av heq A t (m 1/ ), με τον ακόλουθο περιορισμό: 0.0 O 0.0 Α v η επιφάνεια των κατακόρυφων ανοιγμάτων σε όλους τους τοίχους(m ) h eq το μέσο ύψος των παραθύρων σε όλους τους τοίχους (m) A t η συνολική επιφάνεια του περιβλήματος (m ) (τοίχοι, οροφή και δάπεδο συμπεριλαμβανομένων των ανοιγμάτων) Στην περίπτωση όπου Γ=1 η εξίσωση 1.15 προσεγγίζει την πρότυπη καμπύλη θερμοκρασίας χρόνου. Στην περίπτωση που η επιφάνεια περιβλήματος αποτελείται από διαφορετικές στρώσεις υλικού τότε: 1. Αν b 1 < b, b=b 1. Αν b 1 > b, εισάγεται το πάχος s lim που υπολογίζεται για το εκτεθειμένο υλικό σύμφωνα με τον τύπο: s lim = 3600tmaxλ1 c ρ 1 1 (1.16) αν s 1 > s lim, τότε b= b 1 αν s 1 < s lim, τότε s s b= b + 1 b s lim slim όπου : ο αριθμός 1 αντιπροσωπεύει το στρώμα που είναι απευθείας εκτεθειμένο στην πυρκαγιά και ο αριθμός το αμέσως επόμενο στρώμα. s i είναι το πάχος του στρώματος i b = ( ρcλ ) i i i i (1.17) ρ i c i είναι η πυκνότητα του στρώματος i είναι η ειδική θερμότητα του στρώματος i 13

17 λ i είναι η θερμική αγωγιμότητα του στρώματος i Για διαφορετικές τιμές του συντελεστή b σε τοίχο, οροφή και δάπεδο: ( ( j j) ) ( t v) b= Σ ba A A (1.18) όπου Α j είναι η επιφάνεια του περιβλήματος j, μη συμπεριλαμβανομένων των παραθύρων b j είναι η θερμική ιδιότητα του περιβλήματος j Η μέγιστη θερμοκρασία Θ max στη φάση ανάπτυξης της πυρκαγιάς προκύπτει για χρόνο t * =t * max. t * max = tmax Γ (h) (1.19) 3 ( td ) tmax =max q, Ot ; lim (h) (1.0) όπου: q t,d η τιμή σχεδιασμού της πυκνότητας του πυροθερμικού φορτίου εκφραζόμενη στη qtd, = qf, d Af At συνολική επιφάνεια του περιβλήματος Α t, με [MJ/m ]. Ο ακόλουθος περιορισμός πρέπει να ισχύει : 50 q t,d 1000 [MJ/m ]. q f,d η τιμή σχεδιασμού της πυκνότητας του πυροθερμικού φορτίου, εκφραζόμενη στην επιφάνεια Α f του δαπέδου (MJ/m ) και υπολογίζεται σύμφωνα με το Παράρτημα Ε του ΕΝ t lim ο χρόνος σε (h) όπου σε περίπτωση χαμηλού ρυθμού ανάπτυξης της πυρκαγιάς λαμβάνεται t lim = 5 min,σε περίπτωση μεσαίου ρυθμού ανάπτυξης, t lim = 0min και σε περίπτωση γρήγορου ρυθμού ανάπτυξης, t lim = 15min.Ο ρυθμός ανάπτυξης της πυρκαγιάς εξαρτάται από τη χρήση του πυροδιαμερίσματος (Πίνακας Ε.5 του Παραρτήματος Ε του ΕΝ ). Όταν ο χρόνος t max = t lim, ο σχετικός χρόνος t * που χρησιμοποιείται στην εξίσωση 1.18 είναι ίσος με : t * = t Γ lim (h) (1.1) [ O b] ( ) Γ lim = lim όπου, Ο = qtd 3 lim, lim t (1.) Στην περίπτωση όπου Ο>0.04 και q t,d <75 και b<1160, ο συντελεστής Γ lim της εξίσωσης (1.4) πρέπει να πολλαπλασιάζεται με τον συντελεστή k ο οποίος δίνεται από τον τύπο: O 0.04 q, td b k = (1.3) 14

18 Οι καμπύλες θερμοκρασίας χρόνου στη φάση ύφεσης της πυρκαγιάς (καθοδικός κλάδος) δίνονται από τις σχέσεις: max * * ( max ) * * * ( )( ) * * ( max ) Θ g =Θ 65 t t x Θ g =Θ 50 3 t t t x max max max Θ g =Θ 50 t t x max όταν, t * max 0,5 όταν, 0,5 < t * max < όταν, t * max Όπου t * δίνεται από την εξίσωση (1.16) 3 ( ) t = qtd O Γ max, x=1.0 αν t max > t lim, ή x= t Γ t lim * max αν t max = t lim 1.6 Ανάπτυξη θερμοκρασίας του χάλυβα σε μη προστατευμένα εσωτερικά δομικά μέλη από χάλυβα. Η αύξηση της θερμοκρασίας ενός χαλύβδινου μη μονωμένου μέλους κατά τη διάρκεια χρονικού διαστήματος Δt για ομοιόμορφη κατανομή της θερμοκρασίας στις διατομές, προσδιορίζεται από τη σχέση : A V = k h t m θ α, t sh net, d caρa (1.4) όπου, Δθ α,t η μεταβολή της θερμοκρασίας του χάλυβα (σε βαθμούς Κελσίου) εντός χρονικού διαστήματος Δt (sec). k sh ο διορθωτικός συντελεστής που χρησιμοποιείται για να ληφθεί υπόψη η σκίαση που παρέχουν τμήματα της διατομής σε άλλα A m /V ο συντελεστής διατομής για μη μονωμένα μέλη από χάλυβα ( m -1 ) c a η ειδική θερμότητα του χάλυβα (J / kgk) ρ a η πυκνότητα του χάλυβα (kg/m 3 ) h net,d η τιμή σχεδιασμού της θερμικής ροής (W/m ) Δt το χρονικό διάστημα (sec) Για διατομές διπλού ταυ υπό την δράση ονομαστικής πυρκαγιάς, ο διορθωτικός συντελεστής της επίδρασης της σκίασης μπορεί να προσδιορίζεται από: 0.9[ ] [ ] k = A V A V sh m b m (1.5) όπου, [ A V] m b η τιμή του συντελεστή διατομής θεωρώντας για τον υπολογισμό της Α m το ορθογώνιο που περιβάλλει τη διατομή. Σε όλες τις άλλες περιπτώσεις η τιμή του k sh θα λαμβάνεται ως: 15

19 [ ] [ ] k = A V A V sh m b m Για διατομές με κυρτό σχήμα (πχ ορθογωνικές ή κοίλες κυκλικές διατομές), πλήρως περιβαλλόμενες από φλόγες η επιρροή της «σκίασης» δεν παίζει ρόλο και επομένως ο διορθωτικός συντελεστής k sh είναι ίσος προς τη μονάδα. Αγνοώντας την επιρροή της «σκίασης» (δηλ. k sh =1), λαμβάνονται πιο συντηρητικά αποτελέσματα Η θερμική ροή σχεδιασμού h net,d σε επιφάνειες που εκτίθενται στη φωτιά, προκύπτει από το άθροισμα της θερμικής ροής λόγω αφ ενός (h net,c ) της επαφής θερμού αέρα-χάλυβα (convection) και αφετέρου (h net,r ) της ακτινοβολίας των φλογών (radiation) : h = h + h net, d net, c net, r (1.6) Η θερμική ροή λόγω επαφής θερμού αέρα-χάλυβα h net,c ορίζεται ως: h ( ) = α Θ Θ net, c c g m (1.7) 16 όπου α c είναι ο συντελεστής μεταφοράς της θερμότητας δια συναγωγής (W/m K),ο οποίος για χρήση της πρότυπης καμπύλης θερμοκρασίας - χρόνου είναι ίσος με α c = 5 W/m K ενώ για χρήση παραμετρικής καμπύλης ο συντελεστής λαμβάνεται ίσος με α c = 35 W/m K. Θ g είναι η θερμοκρασία του αέρα κοντά στο μεταλλικό μέλος ( ο C) Θ m είναι η θερμοκρασία του μεταλλικού μέλους ( ο C) Η θερμική ροή λόγω ακτινοβολίας h net,r ορίζεται ως: ( ) ( ) 4 4 hnet, r =Φ εm εf σ Θ r + 73 Θ m + 73 (1.8) όπου Φ είναι ο συντελεστής διάταξης, Φ=1.0. ε m είναι ο συντελεστής ικανότητας ακτινοβολίας (emissivity) του μέλους, ε m = 0.8. ε f είναι ο συντελεστής ικανότητας ακτινοβολίας (emissivity) της φλόγας, ε f = 1.0. σ είναι η σταθερά του νόμου Stephan Boltzmann (= W/m K 4 ) Θ r είναι η θερμοκρασία του ακτινοβολούντος περιβάλλοντος του μέλους ( ο C) και μπορεί να λαμβάνεται ίση με τη θερμοκρασία του αέρα Θ g. Θ m είναι η θερμοκρασία του μεταλλικού μέλους ( ο C). Προκειμένου για απλά υπολογιστικά προσομοιώματα η ειδική θερμότητα c a του χάλυβα επιτρέπεται να θεωρείται ανεξάρτητη της θερμοκρασίας του και ίση προς 600 J/kg K. Η πυκνότητα του χάλυβα θεωρείται ίση με ρ a =7850 kg/m 3. Για τον προσδιορισμό της μεταβολής της θερμοκρασίας του χάλυβα ενός μη μονωμένου μέλους δεν επιτρέπεται να θεωρούνται διαδοχικά χρονικά διαστήματα μεγαλύτερα των 5 sec Συντελεστής διατομής για μη μονωμένα χαλύβδινα δομικά στοιχεία Οι μη προστατευμένες χαλύβδινες διατομές θερμαίνονται γρήγορα κατά τη διάρκεια της πυρκαγιάς, ιδιαιτέρα εάν η διατομή είναι μικρών διαστάσεων και εκτίθεται μεγάλη επιφάνεια

20 του δομικού στοιχείου. Για να προσδιορίσουμε το ρυθμό αύξησης της θερμοκρασίας σε ένα χαλύβδινο στοιχείο είναι απαραίτητος ο προσδιορισμός του συντελεστή διατομής (section factor), Α m /V όπου A m η εκτιθέμενη στην πυρκαγιά επιφάνεια του στοιχείου ανά μονάδα μήκους [m /m] και V ο όγκος του στοιχείου ανά μονάδα μήκους [m 3 /m]. Ο συντελεστής διατομής είναι μια σημαντική παράμετρος που καθορίζει τη θερμοκρασιακή αύξηση σε ένα χαλύβδινο στοιχείο. Όσο αυξάνεται ο συντελεστής διατομής, αυξάνεται και η εκτιθέμενη στη φωτιά επιφάνεια, δηλαδή η εισαγόμενη θερμότητα στο στοιχείο, με αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας. 1.7 Ανάπτυξη της θερμοκρασίας του χάλυβα σε εσωτερικά δομικά μέλη από χάλυβα μονωμένα με υλικά πυροπροστασίας Για ένα μονωμένο χαλύβδινο στοιχείο, η μόνωση επιβραδύνει το ρυθμό αύξησης της θερμοκρασίας στο δομικό στοιχείο. Έτσι ουσιαστικά οι θερμοκρασίες στα χαλύβδινα δομικά στοιχεία διατηρούνται σε χαμηλά επίπεδα για το απαραίτητο χρονικό διάστημα που έχει οριστεί από τους Κανονισμούς Πυροπροστασίας. Η ικανότητα των μονωτικών να επιβραδύνουν το ρυθμό αύξησης της θερμοκρασίας στα χαλύβδινα δομικά στοιχεία οφείλεται στις θερμικές ιδιότητες τους και εξαρτάται από το πάχος της μόνωσης και το συντελεστή διατομής. Για περίπτωση ομοιόμορφης κατανομής της θερμοκρασίας στη διατομή, η αύξηση της θερμοκρασίας Δθ α,t ενός μονωμένου μέλους από χάλυβα κατά τη διάρκεια ενός χρονικού διαστήματος Δt μπορεί να λαμβάνεται από: ( Θgt Θat) λ A V θ = ϕ ( e ) p p,, ( ) 10 α, t t -1 θgt, dc p aρa 1+ ϕ 3 (1.9) cpρ p ϕ = dp Ap V αλλά Δθ α,t 0 εάν Δθ g,t > 0, με caρα (1.30) όπου: A p /V είναι ο συντελεστής διατομής για μέλη από χάλυβα μονωμένα με υλικά προστασίας έναντι πυρκαγιάς, Α p είναι το κατάλληλο εμβαδόν του υλικού προστασίας ανά μονάδα μήκους μέλους (m /m), V είναι ο όγκος του μέλους ανά μονάδα μήκους του (m 3 /m), c a είναι η εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία ειδική θερμότητα του χάλυβα, βλέπε κεφάλαιο 3 EN , (J/kg K), c p είναι η ανεξάρτητη από τη θερμοκρασία ειδική θερμότητα του υλικού προστασίας (J/kg K), d p είναι το πάχος του υλικού προστασίας (m) Δt είναι το χρονικό διάστημα (seconds) Θ a,t είναι η θερμοκρασία του χάλυβα τη χρονική στιγμή t ( o C), Θ g,t είναι η θερμοκρασία του περιβάλλοντος το μέλος αέρα στο χρόνο t ( o C), Δθ g,t είναι η αύξηση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος το μέλος αέρα κατά τη διάρκεια του χρονικού διαστήματος Δt (K), λ p είναι η θερμική αγωγιμότητα του συστήματος προστασίας έναντι πυρκαγιάς (W/mK), ρ a είναι η πυκνότητα του χάλυβα (kg/m 3 ) ρ p είναι η πυκνότητα του υλικού προστασίας (kg/m 3 ) 17

21 Η εξίσωση (1.31) είναι προσεγγιστική και ισχύει μόνο για μικρές τιμές του συντελεστή φ. Σύμφωνα με τον Wang Z (004) αυτός ο συντελεστής δεν θα πρέπει αν είναι μεγαλύτερος από 1.5. Αλλά αυτός ο περιορισμός δεν δίνεται στον Ευρωκώδικα. Αν η ειδική θερμότητα του μονωτικού υλικού c p, αγνοείται, η ποσότητα της θερμότητας που αποθηκεύεται στην μόνωση μπορεί να λαμβάνεται ως φ=0 και έτσι η εξίσωση (1.31) γίνεται: λ A 1 θ = Θ Θ t ( ) p p α, t gt, at, dp V caρa (1.31) Για τον προσδιορισμό της μεταβολής της θερμοκρασίας του χάλυβα ενός μονωμένου μέλους δεν επιτρέπεται να θεωρούνται διαδοχικά χρονικά διαστήματα μεγαλύτερα των 30 sec. Το εμβαδόν Α p του υλικού προστασίας πρέπει γενικά να λαμβάνεται ως το εμβαδόν της εσωτερικής του επιφάνειας. Για περίπτωση ορθογωνικού εγκιβωτισμού σε μια απόσταση από το χαλύβδινο μέλος πρέπει να εφαρμόζεται η ίδια τιμή όπως για ορθογωνικό εγκιβωτισμό χωρίς απόσταση από το χαλύβδινο μέλος. 1.8 Αριθμητικές εφαρμογές Ποια είναι η επιρροή των συντελεστών O, b και q t,d στην μελέτη των παραμετρικών καμπυλών; Επιρροή συντελεστή Ο Θα εξετάσουμε πως μεταβάλλεται η παραμετρική καμπύλη θερμοκρασίας αέρα χρόνου για διάφορες τιμές του συντελεστή επιρροής ανοιγμάτων Ο, θεωρώντας ότι ο συντελεστής επίδρασης του περιβλήματος b και ο συντελεστής πυκνότητας του πυροθερμικού φορτίου παραμένουν σταθεροί και ίσοι με b=1300 J/m s 0.5 K και q t,d = 600 MJ/m αντίστοιχα. Για Ο=0.04: Ο συντελεστής εξαρτώμενος από τις συνθήκες αερισμού είναι: O Γ= = = 0.80 b Ο χρόνος στην φάση ανάπτυξης της πυρκαγιάς είναι: t = 0.000q O= ώρες (180min.) = 3 max td, t max =Γ tmax = = ώρες.4 Για Ο=0.06: ( ) θmax = e 0.04e 0.47e = 1074 C Για t * max,0, o σχετικός χρόνος στο τέλος της φάσης ύφεσης της πυρκαγιάς είναι: max * * ( max ) θg = θ 50 t t

22 Ο συντελεστής εξαρτώμενος από τις συνθήκες αερισμού είναι: O Γ= = = 1.79 b Ο χρόνος στην φάση ανάπτυξης της πυρκαγιάς είναι: t = 0.000q O= ώρες (10min.) = max td, t max =Γ tmax = 1.79 = 3.58 ώρες ( ) θmax = e 0.04e 0.47e = 1135 C Για t * max.0, o σχετικός χρόνος στο τέλος της φάσης ύφεσης της πυρκαγιάς είναι: max * * ( max ) θg = θ 50 t t Πραγματοποιείται η ίδια διαδικασία για τους υπόλοιπους συντελεστές Ο και προκύπτει ο παρακάτω Πίνακας και τα αντίστοιχα διαγράμματα. t (min) Θg ( C) Θg ( C) Θg ( C) Θg ( C) Θg ( C) Θg ( C) Θg ( C) 0, Θg ( C) 10, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

23 190, , , Θερμοκρασία Χρόνος 0,04 0,06 0,08 0,10 0,1 0,14 0,16 0,18 Συμπεραίνεται ότι όσο αυξάνεται ο συντελεστής επιρροής ανοιγμάτων Ο, η θερμοκρασία του αέρα φτάνει σε υψηλότερες τιμές σε πολύ μικρότερο χρόνο. Επίσης όσο μεγαλώνει ο συντελεστής αερισμού τόσο μικραίνει και ο χρόνος t max κατά τον οποίο παρατηρείται η μέγιστη θερμοκρασία. Τελικά όσο μεγαλύτερος ο συντελεστής αερισμού τόσο μεγαλύτερη η αύξηση της θερμοκρασίας με αποτέλεσμα το φαινόμενο της καύσης να τερματίζει συντομότερα. Επιρροή συντελεστή b Θα εξετάσουμε πως μεταβάλλεται η παραμετρική καμπύλη θερμοκρασίας αέρα χρόνου για διάφορες τιμές του συντελεστή επίδρασης του περιβλήματος b, θεωρώντας ότι ο συντελεστής αερισμού Ο και ο συντελεστής πυκνότητας του πυροθερμικού φορτίου παραμένουν σταθεροί και ίσοι με Ο=0.06 και q t,d = 600 MJ/m αντίστοιχα. Για b=400 J/m s 0.5 K : Ο συντελεστής εξαρτώμενος από τις συνθήκες αερισμού είναι: O Γ= = = 18.9 b Ο χρόνος στην φάση ανάπτυξης της πυρκαγιάς είναι: t = 0.000q O= ώρες (10min.) = max td, t max =Γ tmax = 18.9 = ώρες ( ) θmax = e 0.04e 0.47e = 1345 C Για t * max.0, o σχετικός χρόνος στο τέλος της φάσης ύφεσης της πυρκαγιάς είναι: 0

24 max * * ( max ) θg = θ 50 t t Για b=600 J/m s 0.5 K : Ο συντελεστής εξαρτώμενος από τις συνθήκες αερισμού είναι: O Γ= = = 8.41 b Ο χρόνος στην φάση ανάπτυξης της πυρκαγιάς είναι: t = 0.000q O= ώρες (10min.) = max td, t max =Γ tmax = 8.41 = 16.8 ώρες θmax = e 0.04e 0.47e = 1330 C ( ) Για t * max.0, o σχετικός χρόνος στο τέλος της φάσης ύφεσης της πυρκαγιάς είναι: max * * ( max ) θg = θ 50 t t Πραγματοποιείται η ίδια διαδικασία για τους υπόλοιπους συντελεστές b και προκύπτει ο παρακάτω πίνακας και τα αντίστοιχα διαγράμματα. b (J/m s 0.5 K) t (min) Θg ( C) Θg ( C) Θg ( C) Θg ( C) Θg ( C) Θg ( C) Θg ( C) Θg ( C) 0, , , , , , , , , , , , , , , , , ,

25 130, , , , , , , , , , , , , , , , , , Θερμοκρασία Χρόνος Συμπεραίνεται ότι όσο αυξάνεται ο συντελεστής επίδρασης του περιβλήματος b δηλαδή όσο καλύτερη είναι η μονωτική ικανότητα του περιβλήματος, τόσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία που αναπτύσσεται ενώ ο χρόνος t max κατά τον οποίο παρατηρείται η μέγιστη θερμοκρασία παραμένει σταθερός αφού δεν επηρεάζεται από τον συντελεστή περιβλήματος. Επιρροή συντελεστή q t,d Θα εξετάσουμε πως μεταβάλλεται η παραμετρική καμπύλη θερμοκρασίας αέρα χρόνου για διάφορες τιμές πυκνότητας πυροθερμικού φορτίου q t,d, θεωρώντας ότι ο συντελεστής αερισμού Ο και ο συντελεστής επίδρασης περιβλήματος b παραμένουν σταθεροί και ίσοι με Ο=0.06 και με b=1300 J/m s 0.5 K αντίστοιχα. Για q t,d = 00 MJ/m :

26 Ο συντελεστής εξαρτώμενος από τις συνθήκες αερισμού είναι: O Γ= = = 1.79 b Ο χρόνος στην φάση ανάπτυξης της πυρκαγιάς είναι: t = 0.000q O= ώρες 0.06(40min.) = 0.67 max td, t max =Γ tmax = = 1.19 ώρες ( ) θmax = e 0.04e 0.47e = 971 C Για 0.5<t * max <.0, o σχετικός χρόνος στο τέλος της φάσης ύφεσης της πυρκαγιάς είναι: * * * ( )( ) θg = θ 50 3 t t t max max max Για q t,d = 400 MJ/m : Ο συντελεστής εξαρτώμενος από τις συνθήκες αερισμού είναι: O Γ= = = 1.79 b Ο χρόνος στην φάση ανάπτυξης της πυρκαγιάς είναι: t = 0.000q O= ώρες 0.06(80min.) = 1.33 max td, t max =Γ tmax = =.39 ώρες ( ) θmax = e 0.04e 0.47e = 1074 C Για t * max.0, o σχετικός χρόνος στο τέλος της φάσης ύφεσης της πυρκαγιάς είναι: max * * ( max ) θg = θ 50 t t Πραγματοποιείται η ίδια διαδικασία για τους υπόλοιπους συντελεστές b και προκύπτει ο παρακάτω πίνακας και τα αντίστοιχα διαγράμματα. q t,d (MJ/m ) t (min) Θg ( C) Θg ( C) Θg ( C) Θg ( C) Θg ( C) 0, , , ,

27 36, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

28 Θερμοκρασία Χρόνος Συμπεραίνεται ότι ο ανοδικός κλάδος των παραμετρικών καμπυλών είναι ο ίδιος για όλες τις τιμές πυκνότητας του πυροθερμικού φορτίου αφού εξαρτάται μόνο από τους συντελεστές O και b. Όσο αυξάνεται η πυκνότητα πυροθερμικού φορτίου q t,d τόσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία που αναπτύσσεται όπως και ο χρόνος t max κατά τον οποίο παρατηρείται η μέγιστη θερμοκρασία. Επίσης όσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα του πυροθερμικού φορτίου τόσο μεγαλύτερη είναι η διάρκεια του φαινομένου της καύσης. 5

29 6

30 Θερμικές δράσεις σε εξωτερικά μέλη - Απλοποιημένη μέθοδος υπολογισμού Εξωτερικό μέλος είναι ένα δομικό μέλος που βρίσκεται εξωτερικά της πρόσοψης του κτιρίου και το οποίο μπορεί να εκτεθεί σε πυρκαγιά μέσω των ανοιγμάτων του περιβλήματος του κτιρίου. Για τον προσδιορισμό των θερμικών δράσεων που δέχεται ένα εξωτερικό μέλος σε περίπτωση πυρκαγιάς, πρέπει πρώτα να εκτιμηθούν οι συνθήκες του πυροδιαμερίσματος και οι φλόγες που εκπηγάζουν από τα ανοίγματα, αντικείμενο του παραρτήματος Β του ΕΝ 1991 μέρος 1- και στη συνέχεια να υπολογιστούν οι θερμικές ροές από ακτινοβολία και συναγωγή, οι οποίες μας επιτρέπουν να προσδιορίσουμε τη μέση θερμοκρασία Τ m του εξωτερικού χαλύβδινου μέλους, αντικείμενο του παραρτήματος Β του ΕΝ 1993 μέρος 1-. Η θερμοκρασία εξωτερικών κατασκευών από χάλυβα θα προσδιορίζεται λαμβάνοντας υπόψη: 1. τη ροή θερμότητας λόγω ακτινοβολίας από το πυροδιαμέρισμα,. τη θερμική ροή λόγω ακτινοβολίας και λόγω συναγωγής (επαφής) από τις φλόγες που εκπηγάζουν από τα ανοίγματα, 3. τις απώλειες θερμότητας από ακτινοβολία και συναγωγή από τη χαλύβδινη κατασκευή προς την περιβάλλουσα ατμόσφαιρα, τις θέσεις και τα μεγέθη των δομικών μελών..1 Απλοποιημένη μέθοδος υπολογισμού Η μέθοδος που παρουσιάζεται στο παράρτημα Β του Ευρωκώδικα 1.1. επιτρέπει τον προσδιορισμό : 1. των μέγιστων θερμοκρασιών του πυροδιαμερίσματος,. τις διαστάσεις και τις θερμοκρασίες των φλογών από τα ανοίγματα, 3. των παραμέτρων που σχετίζονται με τη θερμότητα από ακτινοβολία και επαφή. Η μέθοδος αυτή θεωρεί σταθερές συνθήκες για τις διάφορες παραμέτρους. Η μέθοδος ισχύει μόνο για πυκνότητες πυροθερμικού φορτίου μεγαλύτερες των 00 ΜJ/m.. Προϋποθέσεις χρήσης μεθόδου Όταν υπάρχουν περισσότερα από ένα παράθυρα στο σχετικό πυροδιαμέρισμα χρησιμοποιείται ο μέσος όρος των υψών των παραθύρων h eq, η συνολική επιφάνεια κατακόρυφων ανοιγμάτων A v, καθώς και το άθροισμα των πλατών των παραθύρων w t =Σw i Όταν υπάρχουν παράθυρα μόνο στον τοίχο 1 ο λόγος D/W δίνεται από τον τύπο : DW W = w t (.1) Όταν υπάρχουν παράθυρα σε περισσότερους από έναν τοίχους, ο λόγος D/W δίνεται από τον τύπο : 7

31 W A v1 DW= W 1 A v (.) όπου : W 1 είναι το πλάτος του τοίχου 1, υποθέτοντας ότι περιλαμβάνει τη μεγαλύτερη επιφάνεια παραθύρων Α v1 είναι το άθροισμα των επιφανειών των παραθύρων στον τοίχο 1 W είναι το πλάτος του κάθετου στον 1 τοίχου στο πυροδιαμέρισμα. Όταν υπάρχει πυρήνας στο πυροδιαμέρισμα ο λόγος D/W υπολογίζεται όπως παρακάτω: 1. εφαρμόζονται οι περιορισμοί που αναφέρονται παρακάτω σχετικά με τις διαστάσεις του πυροδιαμερίσματος. L c και W c είναι το μήκος και το πλάτος του πυρήνα αντίστοιχα 3. W 1 και W είναι το μήκος και το πλάτος του πυροδιαμερίσματος αντίστοιχα : ( W L ) A DW= ( W W ) A C v1 1 C v (.3) Όλα τα μέρη ενός εξωτερικού τοίχου που δεν έχουν την απαιτούμενη για την ευστάθεια του κτιρίου αντοχή στην πυρκαγιά (REI) υπολογίζονται ως επιφάνειες παραθύρων. Η συνολική επιφάνεια των παραθύρων σε έναν εξωτερικό τοίχο είναι : 8 1. η συνολική επιφάνεια, σύμφωνα με τα προηγούμενα, εάν είναι μικρότερη από το 50% της επιφάνειας του σχετικού εξωτερικού τοίχου του διαμερίσματος,. αρχικά η συνολική επιφάνεια και στη συνέχεια το 50% της επιφάνειας του αντίστοιχου εξωτερικού τοίχου του διαμερίσματος αν σύμφωνα με τα προηγούμενα η επιφάνεια είναι μεγαλύτερη του 50%. Αυτές οι δύο περιπτώσεις πρέπει να εξετάζονται στους υπολογισμούς. Όταν χρησιμοποιούμε το 50% της επιφάνειας του εξωτερικού τοίχου, πρέπει να επιλέγονται η θέση και η γεωμετρία των ανοιχτών επιφανειών ώστε να θεωρούμε τη δυσμενέστερη περίπτωση. Οι διαστάσεις του πυροδιαμερίσματος δεν πρέπει να ξεπερνούν τα 7 m σε μήκος, τα 18m σε πλάτος και τα m σε ύψος. Η θερμοκρασία της φλόγας μπορεί να θεωρείται ομοιόμορφη κατά πλάτος και πάχος της φλόγας..3 Επίδραση ανέμου Μέθοδος αερισμού Αν υπάρχουν παράθυρα σε απέναντι πλευρές του πυροδιαμερίσματος ή αν πρόσθετος αέρας τροφοδοτεί την πυρκαγιά από άλλη προέλευση (εκτός παραθύρων), τότε ο υπολογισμός γίνεται σε συνθήκες με ρεύμα αέρα (forced draught). Διαφορετικά ο υπολογισμός γίνεται σε συνθήκες χωρίς ρεύμα αέρα (no forced draught). Εκτροπή φλόγας από τον άνεμο Οι φλόγες από ένα άνοιγμα εκτιμάται ότι εξέρχονται από το πυροδιαμέρισμα : 1. κάθετα στην πρόσοψη,. με απόκλιση 45 ο λόγω της επίδρασης του ανέμου.

32 .3.1 Χαρακτηριστικά της φωτιάς και των φλογών Χωρίς ρεύμα αέρα Ο ρυθμός εκροής θερμότητας Q δίνεται από τη σχέση: 1 h eq Q= min Af qf d f; e A v DW (.4) O (, ) τ ( ) Η θερμοκρασία του πυροδιαμερίσματος Τ f δίνεται από τη σχέση : 0.1 ( ) O 1/ Ω ( ) T = e O 1 e +Τ f 0 (.5) Το ύψος της φλόγας L L δίνεται από τη σχέση : /3 Q LL = max 0; heq / Av ρg ( heqg) (.6) Το πλάτος της φλόγας είναι το πλάτος του παραθύρου, wf = wi (.7) Το βάθος της φλόγας d f είναι τα /3 του ύψους του παραθύρου : d f = 3heq (.8) Η οριζόντια προβολή των φλογών L H δίνεται από τις σχέσεις: L H 1. σε περίπτωση που υπάρχει τοίχος πάνω από το παράθυρο : = h eq 3 ( ) 0.54 L = 0.3h h w H eq eq t ( ) 0.54 L = 0.454h h w H eq eq t αν h eq 1.5 w t αν h eq > 1.5 w t και η απόσταση από οποιοδήποτε άλλο παράθυρο > 4 w t σε άλλες περιπτώσεις. στην περίπτωση που δεν υπάρχει τοίχος πάνω από το παράθυρο : ( ) 13 L = 0.6 h L h H eq L eq Το μήκος της φλόγας κατά μήκος του άξονα L f : όταν L L >0 Lf = LL + heq ( ( ) ) 1 L = L + L h 3 + h f L H eq eq αν υπάρχει τοίχος πάνω από παράθυρο ή αν h eq 1.5 w t αν δεν υπάρχει τοίχος πάνω από το παράθυρο ή αν h eq >1.5w t 9

33 όταν L L = 0, τότε L f = 0 Η θερμοκρασία της φλόγας T w στο παράθυρο δίνεται από τη σχέση : ( ( )) 0 T = L w Q + T w f t (.9) με L f w t / Q < 1 Ο συντελεστής ικανότητας ακτινοβολίας (emissivity) των φλογών στο παράθυρο λαμβάνεται ίσος με ε f = 1. Η θερμοκρασία της φλόγας κατά μήκος του άξονα δίνεται από τον τύπο : ( ) 0 ( ) ( ) T = T T L w Q + T z w o x t (.10) με L x w t /Q < 1 όπου: L x είναι το μήκος του άξονα από το παράθυρο ως και το σημείο όπου γίνεται ο υπολογισμός Ο συντελεστής ικανότητας ακτινοβολίας ε f (emissivity) των φλογών λαμβάνεται ίσος με: -0.3d f ε = 1-e f (.11) όπου d f είναι το πάχος της φλόγας (m) Ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας από επαφή α c δίνεται από τη σχέση : α = ( d ) ( Q A ) c eq v (.1) Σε περίπτωση που ένα σκίαστρο ή ένας πρόβολος (με οριζόντια προβολή W a ) βρίσκεται στο επίπεδο της κορυφής του παραθύρου σε όλο του το πλάτος, για την περίπτωση που υπάρχει τοίχος πάνω από το παράθυρο και h eq 1.5w t, το ύψος και η οριζόντια προβολή της φλόγας πρέπει να τροποποιείται όπως παρακάτω : 1. το ύψος της φλόγας L L μειώνεται κατά W a (1+ ),. η οριζόντια προβολή της φλόγας L H αυξάνεται κατά W a. Στην περίπτωση που ισχύουν οι ίδιες συνθήκες όσον αφορά το σκίαστρο ή τον πρόβολο με τα παραπάνω, αλλά δεν υπάρχει τοίχος πάνω από το παράθυρο ή h eq > 1,5 w t τότε το ύψος και η οριζόντια προβολή της φλόγας τροποποιείται ως εξής : 1. το ύψος της φλόγας L L μειώνεται κατά W a,. η οριζόντια προβολή της φλόγας L H αυξάνεται κατά W a, λαμβάνοντας υπόψη στον υπολογισμό την παραπάνω τιμή του L L. Με ρεύμα αέρα Ο ρυθμός εκροής θερμότητας Q δίνεται από τον τύπο : 30

34 (, ) Q= Aq τ f f d f (.13) Η θερμοκρασία του πυροδιαμερίσματος Τ f δίνεται από τον τύπο : Ω (( ) Τ ) T =100 A q 17.5-e + f ο f f,d (.14) Το ύψος της φλόγας L L δίνεται από τον τύπο : L L Q = h 1 eq u A v (.15) Η οριζόντια προβολή των φλογών L H δίνεται από τη σχέση : 0. ( ) ( ) L = u h L + h H eq L eq Το πλάτος της φλόγας w f είναι ίσο με : w = w + 0.4L f t H (.16) (.17) Το μήκος της φλόγας κατά μήκος του άξονα δίνεται από τη σχέση : ( ) 1 L = L + L f L H (.18) Η θερμοκρασία της φλόγας στο παράθυρο Τ w δίνεται από τον τύπο : ( ( ) 1 ) T = L A Q + T w f v o με L f (A v ) 1/ /Q < 1 (.19) Ο συντελεστής ικανότητας ακτινοβολίας (emissivity) στο παράθυρο μπορεί να λαμβάνεται ίσος με ε f = 1.0. Η θερμοκρασία της φλόγας κατά μήκος του άξονα δίνεται από τον τύπο: 1 Lx( A ) v Tz = ( Tw To) + To Q (.0) όπου, L x είναι το μήκος του άξονα από το παράθυρο ως το σημείο όπου γίνεται ο υπολογισμός Ο συντελεστής ικανότητας ακτινοβολίας ε f (emissivity) των φλογών μπορεί να λαμβάνεται ίσος με : 0,3d f 1 ε f = e (.1) όπου d f είναι το πάχος της φλόγας (m) Ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας από επαφή α c, δίνεται από τον τύπο: 31

35 ( d ) ( Q ( A ) u ) α = c eq v (.).3. Συνολικοί συντελεστές διάταξης Ο συνολικός συντελεστής διάταξης Φ f ακτινοβολία από ένα άνοιγμα ορίζεται ως : ενός μέλους για μεταφορά θερμότητας από ϕ f = ( ϕf + ϕf ) + ( ϕf + ϕf ) C C d C C d 1,1, 1 3,3 4,4 ( + ) + ( + ) C C d C C d (.3) όπου: φ f,i είναι ο συντελεστής διάταξης της όψης i του μέλους για το άνοιγμα αναφοράς. d i είναι η διάσταση της διατομής της όψης i του μέλους C i είναι ο συντελεστής προστασίας της όψης i του μέλους ως εξής: 1. για προστατευμένη όψη: C i =0. για μη προστατευμένη όψη: C i =1 Ο συντελεστής διάταξης Φ f,i μιας όψης του μέλους από την οποία το άνοιγμα δεν είναι ορατό λαμβάνεται ίσος με μηδέν. Ο συνολικός συντελεστής Φ z ενός μέλους για μεταφορά θερμότητας εξ ακτινοβολίας από μια φλόγα ορίζεται ως : ϕ f = ( ϕz + ϕz ) + ( ϕz + ϕz ) C C d C C d 1,1, 1 3,3 4,4 ( + ) + ( + ) C C d C C d (.4) όπου φ z,i είναι ο συντελεστής διάταξης της όψης i του μέλους ως προς τη φλόγα. Ο συντελεστής διάταξης Φ z,i κάθε όψης του μέλους για μεταφορά θερμότητας από ακτινοβολία από τη φλόγα υπολογίζεται θεωρώντας ισοδύναμες ορθογωνικές διαστάσεις της φλόγας. Οι διαστάσεις και οι θέσεις των ισοδύναμων ορθογωνίων καθορίζονται στο παράρτημα G του Ευρωκώδικα Μεταφορά θερμότητας σε εξωτερικά δομικά στοιχεία από χάλυβα Έχοντας προσδιορίσει τις συνθήκες του πυροδιαμερίσματος καθώς και τις διαστάσεις των φλογών που εξέρχονται από τα ανοίγματα προς τα εξωτερικά μέλη, μπορεί να εκτιμηθεί η θερμική ροή από ακτινοβολία και συναγωγή και στη συνέχεια η θερμοκρασία του χάλυβα σύμφωνα με το Παράρτημα Β του Ευρωκώδικα Βασικές αρχές Στο παρόν κεφάλαιο, το πυροδιαμέρισμα υποτίθεται ότι περιορίζεται σε ένα μόνο όροφο. Όλα τα παράθυρα ή άλλα παρόμοια ανοίγματα του πυροδιαμερίσματος υποτίθεται ότι είναι ορθογώνια. 3

36 Επίσης, διάκριση πρέπει να γίνεται μεταξύ μελών που περιβάλλονται από τις φλόγες και μελών που δεν περιβάλλονται, ανάλογα με τη σχετική θέση τους ως προς τα ανοίγματα επί των τοίχων του πυροδιαμερίσματος. Ένα μέλος το οποίο δεν περιβάλλεται από φλόγες πρέπει να υποτεθεί ότι δέχεται μεταφορά θερμότητας δι ακτινοβολίας, από όλα τα ανοίγματα του πυροδιαμερίσματος, που βρίσκονται προς την πλευρά του και από τις φλόγες που προβάλλουν από αυτά τα ανοίγματα. Ένα μέλος το οποίο περιβάλλεται από φλόγες πρέπει να υποτεθεί ότι δέχεται μεταφορά θερμότητας δια συναγωγής από τις περιβάλλουσες αυτό φλόγες και επί πλέον μεταφορά θερμότητας δι ακτινοβολίας από την περιβάλλουσα φλόγα και από το άνοιγμα του πυροδιαμερίσματος από το οποίο η φλόγα προβάλλει. Η μεταφορά θερμότητας δι ακτινοβολίας από άλλες φλόγες και άλλα ανοίγματα μπορεί να αμελείται. Στο παρόν κεφάλαιο θα εξετάσουμε την περίπτωση ενός εξωτερικού χαλύβδινου υποστυλώματος μη περιβαλλόμενου από φλόγες..4. Θερμική ισορροπία Για ένα χαλύβδινο μέλος που δεν περιβάλλεται από φλόγες, η μέση θερμοκρασία του χάλυβα T m [K] προσδιορίζεται από τη λύση της ακόλουθης εξίσωσης θερμικής ισορροπίας : στ + ατ = ΣΙ + ΣΙ + 93α 4 m m z f (.5) όπου: σ είναι η σταθερά του Stefan Boltzmann [ kw/m K 4 ], α είναι ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας δια συναγωγής [kw/m K], I z είναι η θερμική ροή δι ακτινοβολίας από μια φλόγα [kw/m ], I f είναι η θερμική ροή δι ακτινοβολίας από ένα άνοιγμα [kw/m ] Ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας δια συναγωγής α μπορεί να λαμβάνεται από το Παράρτημα B του EN για συνθήκες χωρίς ρεύμα αέρα ή με ρεύμα αέρα, όποια είναι πιο κατάλληλη, χρησιμοποιώντας μία ενεργή διάσταση διατομής d = (d 1 + d ) /. Για ένα μέλος που περιβάλλεται από φλόγες, η μέση θερμοκρασία του προσδιορίζεται μέσω της λύσεως της ακόλουθης εξίσωσης: T m [K] στ + ατ = I + I + ατ 4 m m z f z (.6) όπου: T z είναι η θερμοκρασία των φλογών [K], I z είναι η θερμική ροή δι ακτινοβολίας από τις φλόγες [kw/m ], I f είναι η θερμική ροή δι ακτινοβολίας από το αντίστοιχο άνοιγμα [kw/m ] Η θερμική ροή δι ακτινοβολίας I z από τις φλόγες θα προσδιορίζεται ανάλογα με τη θέση και τον τύπο του μέλους. Η θερμική ροή δι ακτινοβολίας I f από ένα άνοιγμα θα προσδιορίζεται από: 4 ( 1 ) σ I = ϕε a T f f f z f (.7) όπου: φ f είναι ο συνολικός συντελεστής διάταξης του μέλους για περίπτωση μεταφοράς θερμότητας δι ακτινοβολίας από αυτό το άνοιγμα, 33

37 ε f είναι η ικανότητα ακτινοβολίας του ανοίγματος, a z είναι ο βαθμός απορρόφησης της θερμότητας από τις φλόγες, T f είναι η θερμοκρασία της πυρκαγιάς [K] από το Παράρτημα Β του EN Η ικανότητα ακτινοβολίας ενός ανοίγματος ε f θα λαμβάνεται μονάδα. Ο βαθμός απορρόφησης a z της θερμότητας που εκπέμπεται από τις φλόγες θα προσδιορίζεται από το Παράρτημα Β του ΕΝ , κεφάλαιο για συνθήκες με ή χωρίς ρεύμα αέρα..5 Υποστύλωμα μη περιβαλλόμενο από φλόγες.5.1 Μεταφορά θερμότητας δι ακτινοβολίας Πρέπει να γίνει διάκριση μεταξύ ενός υποστυλώματος που βρίσκεται απέναντι από ένα άνοιγμα και ενός που βρίσκεται μεταξύ ανοιγμάτων. Εάν το υποστύλωμα είναι απέναντι από άνοιγμα η θερμική ροή δι ακτινοβολίας I z από τη φλόγα θα προσδιορίζεται από: I =ϕ εσt 4 z z z z (.8) όπου: φ z είναι ο συνολικός συντελεστής διάταξης του υποστυλώματος για θερμότητα από τη φλόγα, ε z είναι η ικανότητα ακτινοβολίας της φλόγας, T z είναι η θερμοκρασία της φλόγας [K] Εάν το υποστύλωμα βρίσκεται μεταξύ ανοιγμάτων, η ολική θερμική ροή δι ακτινοβολίας I z από τις φλόγες σε κάθε πλευρά θα προσδιορίζεται από: I 4 ( ϕ, ε, ϕ, ε, ) σt = + z zm zm zn zn z (.9) όπου: φ z,m είναι o συνολικός συντελεστής διάταξης του υποστυλώματος για θερμότητα από τις φλόγες στην πλευρά m. φ z,n είναι o συνολικός συντελεστής διάταξης του υποστυλώματος για θερμότητα από τις φλόγες στην πλευρά n. ε z,m είναι η συνολική ικανότητα ακτινοβολίας των φλογών στην πλευρά m. ε z,n είναι η συνολική ικανότητα ακτινοβολίας των φλογών στην πλευρά n..5. Ικανότητα ακτινοβολίας της φλόγας Εάν το υποστύλωμα βρίσκεται απέναντι από άνοιγμα, η ικανότητα ακτινοβολίας ε z της φλόγας θα προσδιορίζεται από την έκφραση για το ε που δίδεται στο Παράρτημα B του EN , χρησιμοποιώντας το πάχος φλόγας λ στην ανώτερη στάθμη των ανοιγμάτων. Υπό την προϋπόθεση ότι δεν υπάρχει σκίαστρο ή εξώστης πάνω από το άνοιγμα, το λ μπορεί να λαμβάνεται ως εξής: για συνθήκες χωρίς ρεύμα αέρα : λ = h 3. για συνθήκες με ρεύμα αέρα : λ = x αλλά λ hx z

38 όπου h, x και z δίδονται στο Παράρτημα B του EN Εάν το υποστύλωμα βρίσκεται μεταξύ δύο ανοιγμάτων οι συνολικές ικανότητες ακτινοβολίας ε z,m και ε z,n των φλογών από τις πλευρές m και n θα προσδιορίζονται από την έκφραση για το ε που δίδεται στο Παράρτημα Β του EN χρησιμοποιώντας για το ολικό πάχος λ της φλόγας την τιμή: λ = λ i 1. για την πλευρά m : i= 1 λ = λ i. για την πλευρά n : i= 1 όπου: m είναι ο αριθμός ανοιγμάτων στην πλευρά m, n είναι ο αριθμός ανοιγμάτων στην πλευρά n, λ i είναι το πάχος της φλόγας για το άνοιγμα i. Το πάχος της φλόγας λ i θα λαμβάνεται ως ακολούθως: m n 1. για συνθήκες χωρίς ρεύμα αέρα : λ i = wi. για συνθήκες με ρεύμα αέρα : λ i = w i+ 0.4s όπου: w i είναι το πλάτος του ανοίγματος, s είναι η οριζόντια απόσταση μεταξύ του άξονα του υποστυλώματος και του τοίχου του πυροδιαμερίσματος.5.3 Απορροφητικότητα της θερμότητας που εκπέμπεται από μία φλόγα Για τη συνθήκη `χωρίς ρεύμα αέρα', η απορροφητικότητα φλόγας a z θα λαμβάνεται ίση προς μηδέν. Για τη συνθήκη `με ρεύμα αέρα', η απορροφητικότητα a z θα λαμβάνεται ως ίση προς την ικανότητα ακτινοβολίας ε z της σχετικής φλόγας..6 Συντελεστής Διάταξης Ο συντελεστής διάταξης Φ για μεταφορά θερμότητας δι ακτινοβολίας από μία επιφάνεια Α προς μία επιφάνεια Β ορίζεται ως το τμήμα της διαχύτως ακτινοβολούμενης ενέργειας που ξεκινάει από την επιφάνεια Α και προσπίπτει στη γειτονική επιφάνεια Β. df cosθ cosθ = da π 1 d1 d S 1 (.30) Ο συντελεστής διάταξης μετρά το τμήμα της συνολικής θερμότητας που αφήνει μια δεδομένη επιφάνεια εκπομπής και φθάνει σε μια δεδομένη επιφάνεια λήψης. Η τιμή του εξαρτάται από το μέγεθος της επιφάνειας εκπομπής, την απόσταση της επιφάνειας εκπομπής από την επιφάνεια λήψης και το σχετικό τους προσανατολισμό. Ο ακριβής υπολογισμός του συντελεστή διάταξης Φ είναι αντικείμενο του παραρτήματος G του ΕΝ

39 Σε περίπτωση που η εστία εκπομπής έχει ομοιόμορφη θερμοκρασία και ικανότητα ακτινοβολίας, ο ορισμός απλοποιείται ως εξής, η στερεά γωνία εντός της οποίας μπορεί να εντοπιστεί από συγκεκριμένο τμήμα απειροελάχιστης επιφάνειας το περιβάλλον που ακτινοβολεί, διαιρούμενη με π. Η μεταφορά θερμότητας από ακτινοβολία σε μια απειροελάχιστη επιφάνεια ενός κυρτού μέλους καθορίζεται μόνο από τη θέση και το μέγεθος της πυρκαγιάς (position effect). Η μεταφορά θερμότητας από ακτινοβολία σε μια απειροελάχιστη επιφάνεια ενός κοίλου μέλους καθορίζεται από τη θέση και το μέγεθος της πυρκαγιάς (position effect) όπως και από την ακτινοβολία άλλων τμημάτων του μέλους (shadow effects). Άνω όρια του συντελεστή διάταξης Φ δίνονται στον πίνακα.1. Πίνακας.1: Όρια συντελεστή διάταξης Φ Τοπική Πλήρως ανεπτυγμένη position effect Φ 1 Φ = 1 shadow effect κυρτό Φ = 1 Φ = 1 κοίλο Φ 1 Φ 1.7 Eπίδραση σκίασης (shadow effects) Συγκεκριμένοι κανόνες για να συνεκτιμηθεί η επίδραση της σκίασης δίνονται στα τμήματα του Ευρωκώδικα που αναφέρονται σε συγκεκριμένα υλικά..7.1 Εξωτερικά μέλη Όλες οι επιφάνειες που εκπέμπουν ακτινοβολία πρέπει να θεωρούνται ορθογώνιες στο σχήμα. Περιλαμβάνουν παράθυρα και άλλα ανοίγματα στους τοίχους του πυροδιαμερίσματος όπως και τις ισοδύναμες επιφάνειες των φλογών. Στον υπολογισμό του συντελεστή διάταξης Φ, ένα ορθογώνιο περίβλημα πρέπει να σχεδιάζεται γύρω από τη διατομή του μέλους που λαμβάνει τη θερμότητα. Η τιμή του συντελεστή Φ προσδιορίζεται για το σημείο P (μέσο) της κάθε όψης του ορθογωνίου. Ο συντελεστής Φ πρέπει να υπολογίζεται για κάθε επιφάνεια λήψης ως το άθροισμα της συνεισφοράς της κάθε ζώνης στην επιφάνεια που ακτινοβολεί (κανονικά είναι τέσσερις) και είναι ορατές από το σημείο P της επιφάνειας λήψης. Οι ζώνες αυτές καθορίζονται από το σημείο Χ, το οποίο βρίσκεται όταν μια οριζόντια γραμμή που είναι κάθετη στην επιφάνεια λήψης τμήσει το επίπεδο που περιλαμβάνει την επιφάνεια εκπομπής. Καμία συνεισφορά δεν υπολογίζεται από τις ζώνες που δεν είναι ορατές από το σημείο P. Η συνεισφορά κάθε ζώνης καθορίζεται όπως παρακάτω: Όταν η επιφάνεια λήψης είναι παράλληλη στην επιφάνεια εκπομπής: 1 a 1 b b 1 a Φ= tan + tan π ( 1+ a ) ( 1+ a ) ( 1+ b ) ( 1+ b ) (.31) όπου: α= h/s b= w/s

40 s η απόσταση του σημείου P από το σημείο Χ. h το ύψος της ζώνης στην επιφάνεια εκπομπής ακτινοβολίας w το πλάτος της ζώνης αυτής Σχήμα.1: Επιφάνεια λήψης παράλληλη στην επιφάνεια εκπομπής. Όταν η επιφάνεια λήψης είναι κάθετη στην επιφάνεια εκπομπής: a Φ= tan ( a) tan π ( 1+ b ) ( 1+ b ) (.3) 3. Όταν η επιφάνεια λήψης βρίσκεται σε επίπεδο που σχηματίζει γωνία θ με την επιφάνεια εκπομπής: 1 1 ( 1 b cosθ ) 1 a Φ= tan ( ) α tan π ( 1 + b b cos θ) ( 1 + b b cos θ) a cosθ 1 ( b cosθ ) 1 cosθ tan + tan ( a + sin θ) ( a + sin θ) ( a + sin θ) (.33) 37

41 Σχήμα.: Επιφάνεια λήψης κάθετη στην επιφάνεια εκπομπής Σχήμα.3: Επιφάνεια λήψης σχηματίζει γωνία με την επιφάνεια εκπομπής.8 Αριθμητικές εφαρμογές Ένα ξενοδοχείο είναι κατασκευασμένο από μεταλλικό σκελετό που υποστηρίζει προκατασκευασμένα δωμάτια. Μέρος της κατασκευής είναι εξωτερικό. Το ύψος μεταξύ των ορόφων είναι.8m και το πλέγμα έχει 3m πλάτος. Τα παράθυρα είναι διαστάσεων 1.5m πλάτος και 1m ύψος. Η εξωτερική μεταλλική κατασκευή έχει 1m απόσταση από την πρόσοψη. Κάθε δωμάτιο έχει.8m πλάτος και 6m μήκος, με ύψος μεταξύ δαπέδου και οροφής ίσο με.5m. Η επιρροή του ανέμου δεν λαμβάνεται υπόψη. Να υπολογιστεί η θερμοκρασία των χαλύβδινων κυβικών κολώνων διαστάσεων 0.m x 0.m. Η επιφάνεια του παραθύρου (1.5m ) είναι μικρότερη από το 50% της επιφάνειας του τοίχου (7m ). Επικρατούν συνθήκες χωρίς ρεύμα αέρα και η πόρτα του δωματίου θεωρείται κλειστή. Επιφάνεια δαπέδου: A f = 6.8 = 16.8 m Από τον πίνακα Ε.4 του Ευρωκώδικα 1 λαμβάνουμε την τιμή σχεδιασμού της πυκνότητας του πυροθερμικού φορτίου q f,d ίση με 377 MJ/m για δωμάτιο ξενοδοχείου. DW Ο λόγος D/W δίνεται από τον τύπο: W w = = = Μέσω ύψος παραθύρου h eq =1m Επιφάνεια κατακόρυφων ανοιγμάτων: Α v =1.5 x 1=1.5 m Συνολική επιφάνεια περιβλήματος: Α t = x x.5(6+.8)=77.6 m O= A m Συντελεστής ανοιγμάτων : v heq At = = Για συνθήκες χωρίς ρεύμα αέρα ο ρυθμός εκροής θερμότητας είναι:

42 Q= min ;3.15( 1 e ) Q = min 5.8;.74 =.74 MW [ ] Η θερμοκρασία του πυροδιαμερίσματος: Aq f f, d Ω= = = 587 AA v t ( ) ( ) T = e e + 0 = 689 C f L Το ύψος της φλόγας: Η θερμοκρασία της φλόγας στο παράθυρο: L 3 3 Q.74 = 1.9 heq = = 1.84m wt 1.5 Lf = LL + heq = =.34m L w Q= = > 1 L w Q= 1. Επομένως f TW t ( ) = = 1006 C Η θερμοκρασία της φλόγας κατά μήκος του άξονα: L w Q= L = 0.55L < 1 L < 1.83m T X t X X X Z ( )( LX ) ( ) = T = L + 0 = L Z X X Η θερμοκρασία μεταβάλλεται κατά μήκος του άξονα της φλόγας. Από του 1006 C στο παράθυρο, σημείο Α του σχεδίου, η θερμοκρασία μειώνεται στους 885 C στο σημείο Β (L X = m) και 538 C στο σημείο C που βρίσκεται = 1.359m πάνω από το σημείο Β. Θεωρείται ότι το σημείο της μέγιστης θερμοκρασίας βρίσκεται κατά μήκος του μεγαλύτερου μέρους της φλόγας, δηλαδή του μέρους που εκτείνεται κατά μήκος του τοίχου πάνω από το παράθυρο. Επειδή οι υψηλότερες θερμοκρασίες επικρατούν στο χαμηλότερο μέρος της φλόγας, θεωρείται ότι το σημείο με την υψηλότερη θερμοκρασία είναι λίγο χαμηλότερα από το μέσο του κάθετου τμήματος. Η θερμοκρασία θα υπολογιστεί σε σημείο που βρίσκεται 0.6m πάνω από το σημείο Β. Για απλοποίηση, η θερμοκρασία στο κάθετο μέρος της φλόγας θα θεωρείται ως σταθερή και ίση με αυτή στα 0.6m πάνω από το σημείο Β. Αυτή η θερμοκρασία είναι 73 C. Για την εφαρμογή της μεθόδου των όψεων το κάθετο τριγωνικό μέρος της φλόγας θεωρείται τετράγωνο ίσης επιφάνειας (0.47m x 0.47m = 0. m ) με ομοιόμορφη θερμοκρασία ίση με 945 C (ο μέσος όρος μεταξύ Τ Α και Τ Β ) που τοποθετείται στο κέντρο βάρους του τριγώνου. Όψη b-c της διατομής και όψη d-e της φλόγας, (επιφάνεια λήψης παράλληλη στην επιφάνεια εκπομπής) Η απόσταση μεταξύ των δύο όψεων είναι s = 0.33 m. Το κάθετο μέρος της φλόγας χωρίζεται σε 4 ζώνες ( από αυτές με αρνητικό συντελεστή φ). f t 39

43 ΖΩΝΗ h w s α b B φ 1 0,60,5 0,3,58 9,66 0,6 1,46 0,33 0,60 0,75 0,3,58 3, 0,6 1,43-0,7 3 1,4,5 0,3 5,3 9,66 0,50 1,54 0,45 4 1,4 0,75 0,3 5,3 3, 0,96 1,49-0,37 ΣΥΝΟΛΟ 0,014 Όψη b-c της διατομής και όψη e-f της φλόγας, (επιφάνεια λήψης κάθετη στην επιφάνεια εκπομπής) Η απόσταση μεταξύ των δύο όψεων είναι s = 0,75 m. Το κάθετο μέρος της φλόγας χωρίζεται σε 4 ζώνες ( από αυτές με αρνητικό συντελεστή φ). ΖΩΝΗ h w s α b φ 1 0,60 0,90 0,75 0,80 1,0 0,059 0,60 0,3 0,75 0,80 0,31-0, ,4 0,90 0,75 1,65 1,0 0, ,4 0,3 0,75 1,65 0,31-0,010 ΣΥΝΟΛΟ 0,11 Ο συνολικός συντελεστής φ από την όψη b-c της διατομής στην όψη της φλόγας στους 73 C είναι ίση με = Όψη b-c της διατομής και το κάθετο τριγωνικό τμήμα της φλόγας, (επιφάνεια λήψης κάθετη στην επιφάνεια εκπομπής) Η απόσταση μεταξύ των δύο όψεων είναι s = 0.75 m. Το κάθετο μέρος της φλόγας χωρίζεται σε 4 ζώνες ( από αυτές με αρνητικό συντελεστή φ). 40 ΖΩΝΗ h w s α b φ 1 1,057 0,913 0,75 1,41 1, 0,078 1,057 0,443 0,75 1,41 0,59-0, ,587 0,913 0,75 0,78 1, -0, ,587 0,443 0,75 0,78 0,59 0,04

44 ΣΥΝΟΛΟ 0,01 Όψη a-b της διατομής και όψη e-f της φλόγας, (επιφάνεια λήψης παράλληλη στην επιφάνεια εκπομπής) Η απόσταση μεταξύ των δύο όψεων είναι s = 0.65 m. Το κάθετο μέρος της φλόγας χωρίζεται σε 4 ζώνες ( από αυτές με αρνητικό συντελεστή φ). ΖΩΝΗ h w s α b φ 1 0,60 1,00 0,65 0,9 1,54 0,154 0,60 0,33 0,65 0,9 0,51-0, ,4 1,00 0,65 1,91 1,54 0, ,4 0,33 0,65 1,91 0,51-0,108 ΣΥΝΟΛΟ 0,153 Όψη a-b της διατομής και όψη e-d της φλόγας, (επιφάνεια λήψης κάθετη στην επιφάνεια εκπομπής) Η απόσταση μεταξύ των δύο όψεων είναι s = 0,333 m. Το κάθετο μέρος της φλόγας χωρίζεται σε 4 ζώνες ( από αυτές με αρνητικό συντελεστή φ). ΖΩΝΗ h w s α b φ 1 0,60,15 0,333 1,80 6,46 0,163 0,60 0,65 0,333 1,80 1,95-0,10 3 1,4,15 0,333 3,7 6,46 0, ,4 0,65 0,333 3,7 1,95-0,133 ΣΥΝΟΛΟ 0,106 Ο συνολικός συντελεστής φ από την όψη a-b της διατομής στην όψη της φλόγας στους 73 C είναι ίση με =0.57. Όψη a-b της διατομής και το κάθετο τριγωνικό τμήμα της φλόγας, (επιφάνεια λήψης παράλληλη στην επιφάνεια εκπομπής) Η απόσταση μεταξύ των δύο όψεων είναι s = 0.65 m. Το κάθετο μέρος της φλόγας χωρίζεται σε 4 ζώνες ( από αυτές με αρνητικό συντελεστή φ). ΖΩΝΗ h w s α b φ 1 1,057 1,013 0,65 1,63 1,56 0,189 1,057 0,543 0,65 1,63 0,84-0, ,587 1,013 0,65 0,90 1,56-0,15 4 0,587 0,543 0,65 0,90 0,84 0,11 ΣΥΝΟΛΟ 0,011 Όψη b-c της διατομής και του παραθύρου, (επιφάνεια λήψης παράλληλη στην επιφάνεια εκπομπής) Η απόσταση μεταξύ των δύο όψεων είναι s = 0.90 m. 41

45 Το κάθετο μέρος της φλόγας χωρίζεται σε 4 ζώνες ( από αυτές με αρνητικό συντελεστή φ). ΖΩΝΗ h w s α b φ 1 1,60,5 0,90 1,78,50 0,09 1,60 0,75 0,90 1,78 0,83-0, ,60,5 0,90 0,67,50-0, ,60 0,75 0,90 0,67 0,83 0,10 ΣΥΝΟΛΟ 0,07 Όψη a-b της διατομής και του παραθύρου, (επιφάνεια λήψης κάθετη στην επιφάνεια εκπομπής) Η απόσταση μεταξύ των δύο όψεων είναι s = 1,0 m. Το κάθετο μέρος της φλόγας χωρίζεται σε 4 ζώνες ( από αυτές με αρνητικό συντελεστή φ). ΖΩΝΗ h w s α b φ 1 1,60,15 1,000 1,60,15 0,11 1,60 0,65 1,000 1,60 0,65-0, ,60,15 1,000 0,60,15-0, ,60 0,65 1,000 0,60 0,65 0,04 ΣΥΝΟΛΟ 0,039 Παράθυρο ως επιφάνεια εκπομπής ακτινοβολίας Ο συνολικός συντελεστής διάταξης φ f ενός μέλους για την περίπτωση μεταφοράς θερμότητας διά ακτινοβολίας από ένα άνοιγμα προσδιορίζεται από την σχέση: ϕ f ( ) ( 4 00) = = Για προστατευμένη όψη C i =1. Ο συντελεστής ικανότητας ακτινοβολίας του ανοίγματος είναι, ε f =1-e -0.3df Το πάχος της φλόγας d f για συνθήκες με ρεύμα αέρα είναι:d f =w i +0.4s= Ο βαθμός απορρόφησης της θερμότητας από τις φλόγες είναι, α z =0. Άρα η θερμική ροή για ακτινοβολίας από ένα άνοιγμα είναι: I ( ) T ( ) ( ) = ϕε 1 α σ = = 86 W/m 4 8 f f f z f Φλόγα ως επιφάνεια εκπομπής ακτινοβολίας Ακτινοβολία από το μέρος της φλόγας που βρίσκεται πάνω από το παράθυρο. Ο συνολικός συντελεστής διάταξης για μεταφορά θερμοκρασίας δια ακτινοβολίας από μία φλόγα προσδιορίζεται από την σχέση: ϕ f ( ) ( 4 00) = =

46 Για προστατευμένη όψη C i =1. Ο συντελεστής ικανότητας ακτινοβολίας της φλόγας είναι: 0.3d f ε f = 1 e = 1 e = 0.36 Το πάχος της φλόγας είναι ίσο με 1.5m σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 3. Άρα η θερμική ροή διά ακτινοβολίας Ι z από τη φλόγα για υποστύλωμα μη περιβαλλόμενο από φλόγες που είναι απέναντι από άνοιγμα προσδιορίζεται από τη σχέση: I ( ) = ϕεσt = = 05 W/m 4 8 z z z z Ακτινοβολία από το τριγωνικό μέρος της φλόγας Ο συνολικός συντελεστής διάταξης για μεταφορά θερμοκρασίας δια ακτινοβολίας από μία φλόγα προσδιορίζεται από την σχέση: ϕ f ( ) ( 4 00) = = Για προστατευμένη όψη C i =1. Ο συντελεστής ικανότητας ακτινοβολίας της φλόγας είναι: 0.3d f ε f = 1 e = 1 e = 0.36 Το πάχος της φλόγας είναι ίσο με 1.5m σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 3. Άρα η θερμική ροή διά ακτινοβολίας Ι z από τη φλόγα για υποστύλωμα μη περιβαλλόμενο από φλόγες που είναι απέναντι από άνοιγμα προσδιορίζεται από τη σχέση: I ( ) = ϕεσt = = 71 W/m 4 8 z z z z d1+ d d = = = 0. Ενεργή διάσταση διατομής: Ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας από επαφή είναι: ( ) ( ) ( ) ( ) a = d Q A = = 1.8 c eq v Από την εξίσωση θερμικής ισορροπίας που δίνεται στο Παράρτημα Β του Ευρωκώδικα 3-1- θα υπολογίσουμε τη μέση θερμοκρασία Τ m για χαλύβδινο μέλος που δεν περιβάλλεται από 8 4 φλόγες: Tm + 1.8Tm = Με δοκιμές προκύπτει η μέση θερμοκρασία του χαλύβδινου μέλους ίση με Τ m = 41Κ ή 139 C. Ένα ξενοδοχείο είναι κατασκευασμένο από μεταλλικό σκελετό που υποστηρίζει προκατασκευασμένα δωμάτια. Μέρος της κατασκευής είναι εξωτερικό. Το ύψος μεταξύ των ορόφων είναι.8m και το πλέγμα έχει 3m πλάτος. Τα παράθυρα είναι διαστάσεων 1.5m πλάτος και 1m ύψος. Η εξωτερική μεταλλική κατασκευή έχει 1m απόσταση από την 43

47 πρόσοψη. Κάθε δωμάτιο έχει.8m πλάτος και 6m μήκος, με ύψος μεταξύ δαπέδου και οροφής ίσο με.5m. Η επιρροή του ανέμου λαμβάνεται υπόψη. Να υπολογιστεί η θερμοκρασία των χαλύβδινων κυβικών κολώνων διαστάσεων 0.m x 0.m. Η επιφάνεια του παραθύρου (1.5m ) είναι μικρότερη από το 50% της επιφάνειας του τοίχου (7m ). Επικρατούν συνθήκες με ρεύμα αέρα και η πόρτα του δωματίου που βρίσκεται στην απέναντι πλευρά είναι ανοιχτή και έχει διαστάσεις 1.00m x.00m. Επιφάνεια δαπέδου: A f = 6.8 = 16.8 m Συνολική επιφάνεια κατακόρυφων ανοιγμάτων:α v =1.5 x x.00=3.5 m Από τον πίνακα Ε.4 του Ευρωκώδικα 1 λαμβάνουμε την τιμή σχεδιασμού της πυκνότητας του πυροθερμικού φορτίου q f,d ίση με 377 MJ/m για δωμάτιο ξενοδοχείου. Μέσω ύψος ανοιγμάτων : h eq = = 1.5 m Συνολική επιφάνεια περιβλήματος Α t = x x.5(6+.8)=77.6 m Για συνθήκες με ρεύμα αέρα ο ρυθμός εκροής θερμότητας είναι: Q= Aq, τ = = 5.78 MW f f d F Η θερμοκρασία του πυροδιαμερίσματος: Aq f f, d Ω= = = AA f v t o C (( ) ) T = e + = Το ύψος της φλόγας: L = = L m (??????) L = =.15m 0. Η οριζόντια προβολή των φλογών L H : H ( ) Το πλάτος της φλόγας w f : wf = wt + 0.4LH = =.36m Το μήκος της φλόγας κατά μήκος του άξονα L f : 1 1 ( ) ( ) L = L + L = =.16m f L H Η θερμοκρασία της φλόγας στο παράθυρο ( ( ) 1 w ) 1 1 f ( v) ( ) όπου, T = = 718 C L A Q= = 0.77 < 1 Η θερμοκρασία της φλόγας κατά μήκος του άξονα: 44

48 L w Q= L = 08L < 1 L < 3.51m T z X t X X X ( 3.5) 1 L x = ( 718 0) + 0 = 698 8L 5.78 Η θερμοκρασία μεταβάλλεται κατά μήκος του άξονα της φλόγας. Από του 698 C στο παράθυρο, σημείο Α του σχεδίου, η θερμοκρασία μειώνεται στους 659 C στο σημείο Β (L x = m) και 410 C στο σημείο C που βρίσκεται = 3.039m πάνω από το σημείο Β. Θεωρείται ότι το σημείο της μέγιστης θερμοκρασίας βρίσκεται κατά μήκος του μεγαλύτερου μέρους της φλόγας, δηλαδή του μέρους που εκτείνεται κατά μήκος του τοίχου πάνω από το παράθυρο. Επειδή οι υψηλότερες θερμοκρασίες επικρατούν στο χαμηλότερο μέρος της φλόγας, θεωρείται ότι το σημείο με την υψηλότερη θερμοκρασία είναι λίγο χαμηλότερα από το μέσο του κάθετου τμήματος. Η θερμοκρασία θα υπολογιστεί σε σημείο που βρίσκεται 0.6m πάνω από το σημείο Β. Για απλοποίηση, η θερμοκρασία στο κάθετο μέρος της φλόγας θα θεωρείται ως σταθερή και ίση με αυτή στα 0,6m πάνω από το σημείο Β. Αυτή η θερμοκρασία είναι 610 C. Για την εφαρμογή της μεθόδου των όψεων το κάθετο τριγωνικό μέρος της φλόγας θεωρείται τετράγωνο ίσης επιφάνειας (0.47m x 0.47m = 0. m ) με ομοιόμορφη θερμοκρασία ίση με 679 C (ο μέσος όρος μεταξύ Τ Α και Τ Β ) που τοποθετείται στο κέντρο βάρους του τριγώνου. x Όψη b-c της διατομής και όψη d-e της φλόγας, (επιφάνεια λήψης παράλληλη στην επιφάνεια εκπομπής) Η απόσταση μεταξύ των δύο όψεων είναι s = 0.33 m. ΖΩΝΗ h w s α b B φ 1 0,60,5 0,3,58 9,66 0,6 1,46 0,33 0,60 0,75 0,3,58 3, 0,6 1,43-0,7 3 1,4,5 0,3 5,3 9,66 0,50 1,54 0,45 4 1,4 0,75 0,3 5,3 3, 0,96 1,49-0,37 ΣΥΝΟΛΟ 0,014 Όψη b-c της διατομής και όψη e-f της φλόγας, (επιφάνεια λήψης κάθετη στην επιφάνεια εκπομπής) 45

49 Η απόσταση μεταξύ των δύο όψεων είναι s = 0.75 m. ΖΩΝΗ h w s α b φ 1 0,60 0,90 0,75 0,80 1,0 0,059 0,60 0,3 0,75 0,80 0,31-0, ,4 0,90 0,75 1,65 1,0 0, ,4 0,3 0,75 1,65 0,31-0,010 ΣΥΝΟΛΟ 0,11 Ο συνολικός συντελεστής φ από την όψη b-c της διατομής στην όψη της φλόγας στους 73 C είναι ίση με = Όψη b-c της διατομής και το κάθετο τριγωνικό τμήμα της φλόγας, (επιφάνεια λήψης κάθετη στην επιφάνεια εκπομπής) Η απόσταση μεταξύ των δύο όψεων είναι s = 0.75 m. ΖΩΝΗ h w s α b φ 1 1,057 0,913 0,75 1,41 1, 0,078 1,057 0,443 0,75 1,41 0,59-0, ,587 0,913 0,75 0,78 1, -0, ,587 0,443 0,75 0,78 0,59 0,04 ΣΥΝΟΛΟ 0,01 Όψη a-b της διατομής και όψη e-f της φλόγας, (επιφάνεια λήψης παράλληλη στην επιφάνεια εκπομπής) Η απόσταση μεταξύ των δύο όψεων είναι s = 0.65 m. ΖΩΝΗ h w s α b φ 1 0,60 1,00 0,65 0,9 1,54 0,154 0,60 0,33 0,65 0,9 0,51-0, ,4 1,00 0,65 1,91 1,54 0, ,4 0,33 0,65 1,91 0,51-0,108 ΣΥΝΟΛΟ 0,153 Όψη a-b της διατομής και όψη e-d της φλόγας, (επιφάνεια λήψης κάθετη στην επιφάνεια εκπομπής) Η απόσταση μεταξύ των δύο όψεων είναι s = m. ΖΩΝΗ h w s α b φ 1 0,60,15 0,333 1,80 6,46 0,163 0,60 0,65 0,333 1,80 1,95-0,10 3 1,4,15 0,333 3,7 6,46 0, ,4 0,65 0,333 3,7 1,95-0,133 ΣΥΝΟΛΟ 0,106 46

50 Ο συνολικός συντελεστής φ από την όψη a-b της διατομής στην όψη της φλόγας στους 73 C είναι ίση με =0.57. Όψη a-b της διατομής και το κάθετο τριγωνικό τμήμα της φλόγας, (επιφάνεια λήψης παράλληλη στην επιφάνεια εκπομπής) Η απόσταση μεταξύ των δύο όψεων είναι s = 0.65 m. ΖΩΝΗ h w s α b φ 1 1,057 1,013 0,65 1,63 1,56 0,189 1,057 0,543 0,65 1,63 0,84-0, ,587 1,013 0,65 0,90 1,56-0,15 4 0,587 0,543 0,65 0,90 0,84 0,11 ΣΥΝΟΛΟ 0,011 Όψη b-c της διατομής και του παραθύρου, (επιφάνεια λήψης παράλληλη στην επιφάνεια εκπομπής) Η απόσταση μεταξύ των δύο όψεων είναι s = 0.90 m. ΖΩΝΗ h w s α b φ 1 1,60,5 0,90 1,78,50 0,09 1,60 0,75 0,90 1,78 0,83-0, ,60,5 0,90 0,67,50-0, ,60 0,75 0,90 0,67 0,83 0,10 ΣΥΝΟΛΟ 0,07 Όψη a-b της διατομής και του παραθύρου, (επιφάνεια λήψης κάθετη στην επιφάνεια εκπομπής) Η απόσταση μεταξύ των δύο όψεων είναι s = 1.0 m. ΖΩΝΗ h w s α b φ 1 1,60,15 1,000 1,60,15 0,11 1,60 0,65 1,000 1,60 0,65-0, ,60,15 1,000 0,60,15-0, ,60 0,65 1,000 0,60 0,65 0,04 ΣΥΝΟΛΟ 0,039 Παράθυρο ως επιφάνεια εκπομπής ακτινοβολίας Ο συνολικός συντελεστής διάταξης φ f ενός μέλους για την περίπτωση μεταφοράς θερμότητας διά ακτινοβολίας από ένα άνοιγμα προσδιορίζεται από την σχέση: ϕ f ( ) ( 4 00) = = Για προστατευμένη όψη C i =1. Ο συντελεστής ικανότητας ακτινοβολίας του ανοίγματος είναι, ε f =1.0. Ο βαθμός απορρόφησης της θερμότητας από τις φλόγες είναι, α z =0. Άρα η θερμική ροή για ακτινοβολίας από ένα άνοιγμα είναι: 47

51 I ( ) T ( ) ( ) 4 = ϕε 1 α σ = = W/m f f f z f Φλόγα ως επιφάνεια εκπομπής ακτινοβολίας Ακτινοβολία από το μέρος της φλόγας που βρίσκεται πάνω από το παράθυρο. Ο συνολικός συντελεστής διάταξης για μεταφορά θερμοκρασίας δια ακτινοβολίας από μία φλόγα προσδιορίζεται από την σχέση: ϕ f ( ) ( 4 00) = = Για προστατευμένη όψη C i =1. Ο συντελεστής ικανότητας ακτινοβολίας της φλόγας είναι: 0.3d f ε f = 1 e = 1 e = Το πάχος της φλόγας για συνθήκες με ρεύμα αέρα είναι ίσο με d f =w i +0.4s= x1=1.9 σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 3. Άρα η θερμική ροή διά ακτινοβολίας Ι z από τη φλόγα για υποστύλωμα μη περιβαλλόμενο από φλόγες που είναι απέναντι από άνοιγμα προσδιορίζεται από τη σχέση: I ( ) 4 = ϕεσt = = 1466 W/m 4 8 z z z z Ακτινοβολία από το τριγωνικό μέρος της φλόγας. Ο συνολικός συντελεστής διάταξης για μεταφορά θερμοκρασίας δια ακτινοβολίας από μία φλόγα προσδιορίζεται από την σχέση: ϕ f ( ) ( 4 00) = = Για προστατευμένη όψη C i =1. Ο συντελεστής ικανότητας ακτινοβολίας της φλόγας είναι: 0.3d f ε f = 1 e = 1 e = Το πάχος της φλόγας για συνθήκες με ρεύμα αέρα είναι ίσο με d f =w i +0.4s= x1=1.9 σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 3. Άρα η θερμική ροή διά ακτινοβολίας Ι z από τη φλόγα για υποστύλωμα μη περιβαλλόμενο από φλόγες που είναι απέναντι από άνοιγμα προσδιορίζεται από τη σχέση: 48 I ( ) 4 = ϕεσt = = 90 W/m 4 8 z z z z d1+ d d = = = 0. Ενεργή διάσταση διατομής: Ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας από επαφή είναι:

52 ( ) (( ) + ) a = d Q 17.5A u 1.6 c eq v Για u=6 m/s ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας από επαφή γίνεται: ( ) (( ) ) ( ) (( ) ) c eq v a = d Q 17.5A = = W/m K Από την εξίσωση θερμικής ισορροπίας που δίνεται στο Παράρτημα Β του Ευρωκώδικα 3-1- θα υπολογίσουμε τη μέση θερμοκρασία Τ m για χαλύβδινο μέλος που δεν περιβάλλεται από φλόγες: Tm + 1.8Tm = Με δοκιμές προκύπτει η μέση θερμοκρασία του χαλύβδινου μέλους ίση με Τ m = Κ ή C. (?????????????) 49

53 3 Τοπικές πυρκαγιές Εκτός από πολύ ειδικές περιπτώσεις, κάθε πυρκαγιά ξεκινάει από μία τοπική εστία. Τοπική χαρακτηρίζεται μια πυρκαγιά που αναπτύσσεται σε μια περιορισμένη έκταση και αναφέρεται σε ένα συγκεκριμένο πυροθερμικό φορτίο. Στο παράρτημα C του Ευρωκώδικα παρουσιάζονται δύο μοντέλα επίδρασης των τοπικών πυρκαγιών. Ποιο από τα δύο μοντέλα θα χρησιμοποιηθεί εξαρτάται από το κάθετο μήκος της φλόγας που αναπτύσσεται κατά την απουσία οροφής. Το μήκος της φλόγας μιας τοπικής πυρκαγιάς δίνεται από τη σχέση: 0.4 Lf = Q 1.0D (3.1) 3.1 Όταν η φλόγα δεν επηρεάζει την οροφή του πυροδιαμερίσματος Όταν η φλόγα δεν επηρεάζει την οροφή ενός διαμερίσματος δηλαδή L f < H ή σε περίπτωση πυρκαγιάς σε υπαίθριο χώρο, η θερμοκρασία Θ (z) ( o C)κατά μήκος του κατακόρυφου άξονα της πυρκαγιάς δίνεται από τη σχέση: ( ) Q ( ) 5 z c z zo / Θ = + (3.) D είναι η διάμετρος της πυρκαγιάς (m) Q είναι ο ρυθμός εκροής θερμότητας (W) Q c είναι το μέρος του ρυθμού εκροής θερμότητας εκ συναγωγής (convective part), με Q c = 0.8 Q z είναι το ύψος κατά μήκος του άξονα της πυρκαγιάς (m) H είναι η απόσταση ανάμεσα στην εστία της πυρκαγιάς και την οροφή (m) Η πραγματική αφετηρία z o (m) του άξονα δίνεται από τη σχέση: 0.4 zo = Q 1,0 D (3.3) 3. Όταν η φλόγα επηρεάζει την οροφή του πυροδιαμερίσματος Όταν η φλόγα επηρεάζει την οροφή, δηλαδή L f H τότε η θερμική ροή ḣ (W/m ) που λαμβάνει η εκτεθειμένη στην πυρκαγιά επιφάνεια στο επίπεδο της οροφής δίνεται από: h = h= έως y h= y αν y 0,30 (3.4) αν 0,30 < y < 1,0 (3.5) αν y 1,0 (3.6) 50

54 όπου, y είναι παράμετρος (-) που δίνεται από τη σχέση : y = r+ H + z' L + H + z' h (3.7) R Η είναι η οριζόντια απόσταση ανάμεσα στον κατακόρυφο άξονα της πυρκαγιάς και στο σημείο κατά μήκος της οροφής όπου η θερμική ροή υπολογίζεται (m). είναι η απόσταση μεταξύ της εστίας της πυρκαγιάς και της οροφής (m). Το οριζόντιο μήκος L h της φλόγας, δίνεται από την ακόλουθη σχέση: h * 0.33 (.9 ( H) ) L = H Q H (3.8) Ο αδιάστατος ρυθμός εκροής θερμότητας Q * H, δίνεται από τον τύπο: ( ) Q = Q H * 6.5 H (3.9) Η κατακόρυφη θέση της πραγματικής εστίας θερμότητας z, δίνεται από τη σχέση: *5 *3 ( D D ) *5 ( ) z' =.4 D Q Q z' =.4D 1.0 QD όπου όταν Q * D < 1,0 (3.10) όταν Q * D 1,0 (3.11) ( ) Q = Q D * 6.5 D (3.1) Η καθαρή θερμική ροή h net (W/m ) που λαμβάνει η εκτεθειμένη στην πυρκαγιά επιφάνεια στο επίπεδο της οροφής δίνεται από τον τύπο: ( 0 ) ( 73) ( 93) 4 4 hnet = h αc Θm Φ εm ε f σ Θ m (3.13) Η εξισώσεις (3.1) και (3.13) ισχύουν αν ικανοποιούνται οι παρακάτω προϋποθέσεις: 1. η διάμετρος της εστίας περιορίζεται σε D 10m,. ο ρυθμός εκροής θερμότητας περιορίζεται σε Q 50ΜW. 51

55 3.3 Αριθμητικές εφαρμογές Ποιο είναι το μήκος της φλόγας μίας τοπικής πυρκαγιάς, που εκδηλώνεται σε ένα εμπορικό κέντρο, 5 λεπτά μετά την έναρξη της; Ποια είναι η θερμοκρασίας της φλόγας σε απόσταση 1,50m πάνω από την εστία της πυρκαγιάς; Να γίνει έλεγχος έναντι πυρκαγιάς δοκού ΗΕΑ00 σε ύψος 6,00m στον άξονα της φωτιάς. Να επαναληφθεί ο έλεγχος για την περίπτωση ανοξείδωτου χάλυβα. Σύμφωνα με τον πίνακα Ε.5 του Ευρωκώδικα 1 ο απαιτούμενος χρόνος t a για ρυθμό εκροής θερμότητας ίσο με 1MW στην περίπτωση του εμπορικού κέντρου είναι ίσος με 150s. 6 t Q = 10 = 10 = 4 MW Ο ρυθμός εκροής θερμότητας είναι: ta 150 Από τον ίδιο πίνακα λαμβάνεται ο μέγιστος ρυθμός εκροής θερμότητας RHR f που παράγεται από 1m πυρκαγιάς ίσος με 50 kw/m ή 0.5 MW/m. Η απαιτούμενη επιφάνεια πυρκαγιάς για την εκροή θερμότητας 4 MW είναι: Q 4 Q = Afire RHR f Afire = = = 16m RHR 0.5 f Θεωρώντας ότι η εστία της πυρκαγιάς είναι κυκλική υπολογίζεται η διάμετρός της ίση με: A fire π D 4Afire 4 16 = D= = = 4.514m 4 π π 5 Το μήκος της φλόγας υπολογίζεται από την σχέση: f ( ) 5 L = D+ Q = + = m Η πραγματική αφετηρία z 0 του άξονα δίνεται από τη σχέση: z D Q ( ) = = =.31m Εφόσον η φλόγα δεν επηρεάζει την οροφή του πυροδιαμερίσματος, δηλαδή L f < H η θερμοκρασία θ (z) κατά μήκος του κατακόρυφου άξονα της πυρκαγιάς δίνεται από την σχέση: θ θ 3 53 = ( ) ( t z ) ( t ) ( z) ( ) ( ) = = 604 C 900 C 6 6 t t Q= 10 = 10 = 44.44t Ο ρυθμός εκροής συναρτήσει του χρόνου είναι: ta 150 Άρα το μήκος της φλόγας συναρτήσει του χρόνου υπολογίζεται από την σχέση:

56 ( ) 5 L = 1.0D Q = t = t f 5 45 Η πραγματική αφετηρία z 0 του άξονα συναρτήσει του χρόνου δίνεται από τη σχέση: ( ) 5 z0 = 1.0D Q = t = t 5 45 Τελικά η θερμοκρασία θ (z) μεταβάλλεται συναρτήσει του χρόνου σύμφωνα με την σχέση: θ 3 53 = ( ) ( t z ) ( t ) Γίνεται η παραδοχή ομοιόμορφης κατανομής της θερμοκρασίας στη δοκό. Η θερμοκρασία της μη μονωμένης χαλύβδινης δοκού δίνεται από την σχέση: A V θ = a, t m ksh hnet, d t caρa Τα χαρακτηριστικά μεγέθη της διατομής ΗΕΑ00 είναι: h = 190mm b = 00mm A = 53.83cm t w = 6.5mm t f = 10mm Η διατομή είναι εκτεθειμένη στην πυρκαγιά από τρεις πλευρές. Η περίμετρος της διατομής που είναι σε επαφή με τον αέρα είναι: S = (h-t f )+3b = (19-1)+3 0 = 94cm Επομένως, ο συντελεστής διατομής είναι: A m V S = = = 175m 4 A Ο συντελεστής επίδρασης σκίασης είναι: ( b+ h) ( ) 10 ( Am V) = = = b 4 A k ( A V) ( A V) ( ) m = 0.9 = = 0.75 sh m b m Η ειδικής θερμότητα c a του χάλυβα είναι ίση με 600 J/kgK και η πυκνότητα ρ a του χάλυβα ίση με 7850 kg/m 3. Η ειδικής θερμότητα c a του ανοξείδωτου χάλυβα είναι ίση με 500 J/kgK και η πυκνότητα ρ a του ανοξείδωτου χάλυβα ίση με 7850 kg/m 3. Η θερμική ροή δια συναγωγής είναι: ( ) ( ) hnet, c = ac θg θm = 35 θg θm Η θερμική ροή δια συναγωγής για την περίπτωση ανοξείδωτου χάλυβα είναι: ( ) ( ) hnet, c = ac θg θm = 50 θg θm 1 53

57 Η θερμική ροή δι ακτινοβολίας υπολογίζεται από την σχέση: ( ) ( ) net r = g + m + h, θ 73 θ hnet, r = ( θg + 73) ( θm + 73) Η θερμική ροή δι ακτινοβολίας στην περίπτωση ανοξείδωτου χάλυβα υπολογίζεται από την σχέση: ( ) ( ) net r = g + m + h, θ 73 θ hnet, r = ( θg + 73) ( θm + 73) 54 t (sec) Q (J/s) L f (m) z o (m) Θ (t) z = 6,00 m ( C) Θ m ( C) h net,c (W/m ) h net,r (W/m ) h net,d (W/m ) 0 0,00-4,60-4,60 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0 Δθ α,t ( C) ,11-4,36-4,51 0,46 0,00 16,03 11,88 7,91 0, ,44-4,17-4,45 1,17 0,00 40,68 30,6 70,93 0, ,00-4,01-4,39,0 0,01 70,5 5,48 1,73 0, ,78-3,86-4,34,99 0,03 103,6 77,81 181,43 0, ,78-3,71-4,9 4,06 0,06 140,0 105,86 46,06 0, ,00-3,57-4,4 5, 0,09 179,58 136,4 316,00 0, ,44-3,44-4,19 6,46 0,13 1,49 169,37 390,85 0, ,11-3,31-4,14 7,78 0,19 65,7 04,6 470,34 0, ,00-3,18-4,10 9,17 0,5 31,11 4,13 554,5 0, ,11-3,06-4,05 30,63 0,33 360,54 81,89 64,43 0, ,44 -,93-4,01 3,16 0,4 410,89 33,90 734,79 0, ,00 -,81-3,97 33,75 0,5 463,06 368,18 831,5 0, ,78 -,70-3,93 35,41 0,64 516,99 414,77 931,76 0, ,78 -,58-3,88 37,13 0,77 57,61 463, ,9 0, ,00 -,46-3,84 38,91 0,91 69,84 515, ,85 0, ,44 -,35-3,80 40,75 1,07 688,65 568,78 157,43 0, ,11 -,4-3,76 4,65 1,5 748,98 65, ,06 0, ,00 -,13-3,73 44,61 1,44 810,79 683, ,77 0, ,11 -,0-3,69 46,6 1,65 874,05 745, ,61 0, ,44-1,91-3,65 48,69 1,87 938,70 809, ,63 0, ,00-1,81-3,61 50,8,1 1004,73 877, ,90 0, ,78-1,70-3,57 53,01,38 107,09 947,41 019,50 0, ,78-1,59-3,54 55,5, ,77 100,74 161,51 0, ,00-1,49-3,50 57,55,96 110, ,30 308,03 0, ,44-1,39-3,46 59,91 3,8 181, ,0 459,15 0, ,11-1,8-3,43 6,3 3, ,39 160,59 614,99 0, ,00-1,18-3,39 64,79 3,99 148, ,6 775,67 0,386737

58 ,11-1,08-3,35 67,3 4,38 150, ,43 941,3 0, ,44-0,98-3,3 69,90 4, , ,18 311,08 0, ,00-0,88-3,8 7,54 5, 1656,04 163,06 388,10 0, ,78-0,78-3,5 75,3 5, , , 3469,53 0, ,78-0,69-3,1 77,98 6, ,67 184, ,54 0, ,00-0,59-3,18 80,79 6, , ,0 3849,30 0, ,44-0,49-3,15 83,65 7,1 1975,60 07, ,01 0, ,11-0,39-3,11 86,58 7,77 058,13 194,73 45,86 0, ,00-0,30-3,08 89,56 8,36 141,68 3, ,05 0, ,11-0,0-3,04 9,59 8,99 6,1 455, ,81 0, ,44-0,11-3,01 95,69 9,64 311,7 594, ,36 0, ,00-0,01 -,98 98,84 30,3 398,17 739, ,95 0, ,78 0,08 -,94 10,05 31,04 485,55 891,8 5376,83 0, ,78 0,17 -,91 105,33 31,79 573, ,44 563,6 0, ,00 0,7 -,88 108,66 3,57 66,98 314, ,53 0, ,44 0,36 -,84 11,05 33,39 753, , ,9 0, ,11 0,45 -,81 115,50 34,5 843, ,9 6410,75 0, ,00 0,54 -,78 119,01 35,14 935, , ,34 0, ,11 0,63 -,75 1,58 36,07 307, ,1 6979,01 0, ,44 0,7 -,71 16, 37,04 311, ,09 777,13 1, ,00 0,81 -,68 19,91 38,06 314,9 4370, ,07 1, ,78 0,90 -,65 133,67 39, , , ,0 1, ,78 0,99 -,6 137,49 40, 3404,69 487,6 831,94 1, ,00 1,08 -,59 141,38 41, , ,0 8571,71 1, ,44 1,17 -,56 145,33 4, ,9 536,0 89,95 1, ,11 1,6 -,5 149,34 43, ,88 559,3 986,11 1, ,00 1,35 -,49 153,4 45, , , ,69 1, ,11 1,44 -,46 157,56 46, ,8 6160, ,18 1, ,44 1,53 -,43 161,77 47, , , ,11 1, ,00 1,61 -,40 166,05 49, , , ,03 1, ,78 1,70 -,37 170,39 50, , , ,51 1, ,78 1,79 -,34 174,81 5,38 484, , ,16 1, ,00 1,87 -,31 179,9 54,0 4384,36 781,1 105,58 55

59 Θερμοκρασία ( C) Χρόνος t (sec) Θερμοκρασία χάλυβα Θερμοκρασία αέρα Θερμοκρασία ανοξείδωτου χάλυβα Τοπική πυρκαγιά εκδηλώνεται σε χώρο βιβλιοθήκης. Ποια είναι η μέγιστη θερμική ροή που λαμβάνεται από την οροφή 15 λεπτά μετά την έναρξη της πυρκαγιάς αν η κατακόρυφη απόσταση μεταξύ της πηγής της πυρκαγιάς και της οροφής είναι 3,00m; Να γίνει έλεγχος έναντι πυρκαγιάς δοκού ΗΕΑ00 που βρίσκεται ακριβώς πάνω από την εστία της πυρκαγιά και σε απόσταση r=m από τον άξονα της φλόγας. Σύμφωνα με τον πίνακα Ε.5 του Ευρωκώδικα 1 ο απαιτούμενος χρόνος t a για ρυθμό εκροής θερμότητας ίσο με 1MW στην περίπτωση της βιβλιοθήκης είναι ίσος με 150s. 6 t Q = 10 = 10 = 36 MW Ο ρυθμός εκροής θερμότητας είναι: ta 150 Από τον ίδιο πίνακα λαμβάνεται ο μέγιστος ρυθμός εκροής θερμότητας RHR f που παράγεται από 1m πυρκαγιάς ίσος με 500 kw/m ή 0.5 MW/m. Η απαιτούμενη επιφάνεια πυρκαγιάς για την εκροή θερμότητας 36 MW είναι: Q 36 Q = Afire RHR f Afire = = = 7m RHR 0.50 f Θεωρώντας ότι η εστία της πυρκαγιάς είναι κυκλική υπολογίζεται η διάμετρός της ίση με: A fire π D 4Afire 4 7 = D= = = 9.58m 4 π π Το μήκος της φλόγας υπολογίζεται από την σχέση: f ( ) 5 L = D+ Q = + = m Η φλόγα επηρεάζει την οροφή του πυροδιαμερισματος, δηλαδή L f Υπολογίζουμε τον αδιάστατο ρυθμό εκροής θερμότητας: 56 > H=3.00m.

60 ( ) ( ) ( ) ( ) Q = Q H = =.081 * H Q = Q D = = < 1 * D Το οριζόντιο μήκος της φλόγας είναι: h 0.33 ( ( H) ) L = H Q H = = * m Άρα η κατακόρυφη θέση της πραγματικής εστίας θερμότητας είναι: *5 *3 5 3 ( D D ) ( ) z' =.4D Q Q = = 4.4m Η μέγιστη εκροή θερμότητας πραγματοποιείται ακριβώς από πάνω από την εστία της πυρκαγιάς, όπου r=0. Σε αυτή την περιοχή, η παράμετρος y υπολογίζεται από την σχέση: r+ H + z' y = = = L + H + z' h 6 6 t t Q= 10 = 10 = 44.44t Ο ρυθμός εκροής συναρτήσει του χρόνου είναι: ta 150 Άρα το μήκος της φλόγας συναρτήσει του χρόνου υπολογίζεται από την σχέση: ( ) 5 L = 1.0D Q = t = t f 5 45 Ο αδιάστατος ρυθμός εκροής θερμότητας συναρτήσει του χρόνου είναι: ( ) ( ) ( ) ( ) Q = Q H = 44.44t = t * H Q = Q D = 44.44t = t < 1 * D Άρα η κατακόρυφη θέση της πραγματικής εστίας θερμότητας συναρτήσει του χρόνου είναι: 5 3 ( ) * 5 * 3 ( ) ( 7 7 D D ) ( ) z' =.4D Q Q = t t z' = t t Το οριζόντιο μήκος της φλόγας συναρτήσει του χρόνου είναι: ( ( H) ) ( ) * L =.9H Q H = t 3 = 0.14t 3 h Η παράμετρος y συναρτήσει του χρόνου για r=0 υπολογίζεται από την σχέση: 57

61 r+ H + z' t t y = = L + H + z' 0.14t t t h Η παράμετρος y συναρτήσει του χρόνου για r=.00m υπολογίζεται από την σχέση: r+ H + z' t t y = = L + H + z' 0.14t t t h Η καθαρή θερμική ροή h net (W/m ) που λαμβάνει η εκτεθειμένη στην πυρκαγιά επιφάνεια στο επίπεδο της οροφής δίνεται από τον τύπο: 8 ( ) ( ) 4 4 hnet = h 35 θm θm ( ) ( ) 4 4 hnet = h 35 θm θm Η καθαρή θερμική ροή h net (W/m ) που λαμβάνει η εκτεθειμένη στην πυρκαγιά επιφάνεια στο επίπεδο της οροφής για την περίπτωση του ανοξείδωτου χάλυβα δίνεται από τον τύπο: 8 ( ) ( ) 4 4 hnet = h 50 θm θm ( ) ( ) 4 4 hnet = h 50 θm θm Η θερμοκρασία της μη μονωμένης χαλύβδινης δοκού δίνεται από την σχέση: A V θ = a, t m ksh hnet, d t caρa Η ειδικής θερμότητα ca του χάλυβα είναι ίση με 600 J/kgK και η πυκνότητα ρa του χάλυβα ίση με 7850 kg/m 3. Η ειδικής θερμότητα ca του ανοξείδωτου χάλυβα είναι ίση με 500 J/kgK και η πυκνότητα ρ a του ανοξείδωτου χάλυβα ίση με 7850 kg/m 3. Τα χαρακτηριστικά μεγέθη της διατομής ΗΕΑ00 είναι: h = 190mm b = 00mm A = 53.83cm t w = 6.5mm t f = 10mm Η διατομή είναι εκτεθειμένη στην πυρκαγιά από τρεις πλευρές. Η περίμετρος της διατομής που είναι σε επαφή με τον αέρα είναι:s = (h-t f )+3b = (19-1)+3 0 = 94cm Επομένως, ο συντελεστής διατομής είναι: A m V S = = = 175m 4 A Ο συντελεστής επίδρασης σκίασης είναι: 58

62 ( A V) ( b h) ( ) m = = = m b 4 A k = 0.9 A V A V = = 0.75 ( ) ( ) ( ) sh m b m 1 t (sec) Q (W) L f (m) Q D Q H z' (m) L h (m) y (r=0) h (W/m ) h net (W/m ) θ ( C) Δθ α,t (r=0) 0 0-9,77 0, ,0000 0,00-3, ,5 0, ,0001 0,15 -,64 6,3 17, 17, 0 0, ,34 0, ,0003 0,5 -,43 3,98 90,66 90,56 0,00 0, ,18 0, ,0006 0,34 -,6 3,09 31,58 30,99 0,015 0, ,03 0, ,0010 0,43 -,10,59 441,53 439,67 0,047 0, ,88 0, ,0016 0,50-1,96,7 718,53 714,4 0,108 0, ,74 0, ,003 0,58-1,83, , ,87 0,08 0, ,60 0, ,0031 0,65-1,70 1, ,1 1445,19 0,354 0, ,47 0,0005 0,0041 0,71-1,58 1, ,66 189,67 0,556 0, ,35 0, ,005 0,78-1,47 1,64 41,34 388,90 0,819 0, , 0, ,0064 0,84-1,36 1,55 975,31 99,69 1,15 0, ,10 0, ,0078 0,90-1,5 1,47 357, ,09 1,561 0, ,98 0, ,009 0,96-1,15 1,41 410,65 419,45,050 0, ,86 0, ,0108 1,0-1,05 1, , ,41,65 0, ,74 0, ,016 1,07-0,95 1, ,3 5463,85 3,91 0, ,63 0, ,0144 1,13-0,86 1,6 6334, ,94 4,053 0, ,51 0, ,0164 1,18-0,76 1, 7104, ,07 4,913 0, ,40 0, ,0186 1,3-0,67 1, , ,86 5,875 1, ,9 0, ,008 1,8-0,58 1,16 870, ,13 6,944 1, ,18 0,0017 0,03 1,33-0,50 1, ,73 941,89 8,10 1, ,07 0, ,057 1,38-0,41 1, , ,30 9,408 1, ,96 0, ,083 1,4-0,3 1, , ,71 30,809 1, ,86 0, ,0311 1,47-0,4 1,06 116, ,59 3,35 1, ,75 0, ,0340 1,51-0,16 1, , ,5 33,959 1, ,65 0,0009 0,0370 1,56-0,08 1, , , 35,71 1, ,54 0,000 0,0401 1,60 0,00 1, , ,17 37,585 1, ,44 0, ,0434 1,64 0,08 0, , ,67 39,584, ,34 0, ,0468 1,68 0,16 0, , ,0 41,85, ,4 0,0076 0,0503 1,73 0,3 0, , ,10 44,371, ,14 0,0096 0,0540 1,77 0,31 0,94 406, ,15 47,13, ,04 0, ,0578 1,81 0,39 0, ,0 775,98 50,09 3, ,94 0, ,0617 1,84 0,46 0, ,6 4143,6 53,66 3, ,84 0, ,0657 1,88 0,53 0, ,90 544,64 56,630 3, ,74 0, ,0699 1,9 0,61 0,89 857,54 666,90 60,17 3, ,64 0, ,074 1,96 0,68 0, , ,08 63,88 3, ,55 0, ,0786 1,99 0,75 0, , ,58 67,750 4, ,45 0, ,083,03 0,8 0, , ,4 71,765 4,

63 ,35 0,0048 0,0879,07 0,89 0, , ,39 75,919 4, ,6 0, ,097,10 0,96 0, , ,96 80,04 4, ,16 0, ,0976,14 1,03 0, , ,47 84,613 4, ,88 0,11419,0801 4,4 8,05 0, , ,40 711,036 Θερμοκρασία ( C) Χρόνος t (sec) r=0 r= r=0, ανοξείδωτος χάλυβα r=, ανοξείδωτος χάλυβας 60

64 61

65 4 Πυκνότητα πυροθερμικού φορτίου Ως πυροθερμικό φορτίο ορίζεται σε (MJ) η εκλυόμενη, από το υλικό που καίγεται, ποσότητα θερμότητας εντός του χώρου που εκδηλώθηκε η πυρκαγιά. Ως πυκνότητα πυροθερμικού φορτίου, ορίζεται η ανά τετραγωνικό μέτρο εκλυόμενη ποσότητα θερμότητας σε (MJ/m ). Το πυροθερμικό φορτίο εξαρτάται προφανώς από το καιόμενο υλικό. Επομένως, κατά το σχεδιασμό και έλεγχο μιας κατασκευής, μεγάλη σημασία έχει η χρήση της (και άρα τα υλικά που περιέχει) και βάσει αυτής προκύπτει το πυροθερμικό φορτίο για το οποίο θα γίνει ο έλεγχος. Συχνά η πυκνότητα του πυροθερμικού φορτίου εκφράζεται και σε kg ξύλου που απαιτούνται να καούν για να αποδοθεί το ίδιο πυροθερμικό φορτίο. Η ισοδυναμία είναι 58 kg/m ξύλου, προς 1000 KJ/m. Ο υπολογισμός της πυκνότητας του πυροθερμικού φορτίου είναι αντικείμενο του παραρτήματος Ε του ΕΝ Η τιμή σχεδιασμού της πυκνότητας του πυροθερμικού φορτίου καθορίζεται: 1. από μια εθνική κατάταξη πυροθερμικών φορτίων αναλόγως τη χρήση της κατασκευής, ή. ειδικότερα, σε ένα συγκεκριμένο έργο από εκτίμηση των υλικών που περιέχει η κατασκευή. Η τιμή σχεδιασμού του πυροθερμικού φορτίου q fd (MJ/m ) ορίζεται ως: q = q m δ δ δ f, d f, k q1 q n (4.1) όπου m είναι ο συντελεστής καύσης. δ q1 είναι ο συντελεστής που σχετίζεται με τον κίνδυνο ενεργοποίησης πυρκαγιάς εξαιτίας του μεγέθους του κτιρίου. δ q είναι ο συντελεστής που σχετίζεται με τον κίνδυνο ενεργοποίησης πυρκαγιάς εξαιτίας του είδους χρήσεως του κτιρίου. δ n είναι ο συντελεστής που σχετίζεται με τα ενεργά μέτρα προστασίας ενάντια στην πυρκαγιά (πυροσβεστικός ψεκαστήρας, ανιχνευτής καπνού, αυτόματος συναγερμός, πυροσβεστική υπηρεσία). Αυτά τα μέτρα επιβάλλονται για λόγους ασφάλειας ζωής. q f,k είναι η χαρακτηριστική πυκνότητα του πυροθερμικού φορτίου ανά τετραγωνικό μέτρο. Οι τιμές των συντελεστών δ q1 και δ q για διάφορες τιμές επιφάνειας πυροδιαμερισμάτων 10 και διάφορες χρήσεις δίνονται από πίνακες όπως και οι τιμές των συντελεστών δ ni (δ n = δ ni ) για διάφορα μέτρα προστασίας έναντι πυρκαγιάς. Για τα συνήθη μέτρα προστασίας, που πρέπει πάντα να υπάρχουν, όπως οι διάδρομοι ασφαλείας, μηχανισμοί κατάσβεσης της πυρκαγιάς κλπ, η τιμή του συντελεστή δ n μπορεί να λαμβάνεται ίση με 1.0. Αν όμως αυτά τα μέτρα δεν έχουν προβλεφθεί, τότε η τιμή του συντελεστή δ n πρέπει να λαμβάνεται ίση με i= 1 6

66 4.1.1 Προσδιορισμός της πυκνότητας πυροθερμικού φορτίου Το πυροθερμικό φορτίο αποτελείται από όλο το εύφλεκτο περιεχόμενο του κτιρίου καθώς και τα εύφλεκτα μέρη της κατασκευής, συμπεριλαμβανομένων των στοιχείων επένδυσης και τελειωμάτων. Οι επόμενες ενότητες ισχύουν για τον προσδιορισμό της πυκνότητας του πυροθερμικού φορτίου είτε από την κατάταξη αναλόγως τη χρήση της κατασκευής, είτε από εκτίμηση των επιμέρους υλικών ενός συγκεκριμένου έργου. Στην περίπτωση που η πυκνότητα του πυροθερμικού φορτίου καθορίζεται από ταξινόμηση ανάλογα τη χρήση τα πυροθερμικά φορτία διακρίνονται σε: 1. πυροθερμικά φορτία χρήσεως, από τη δεδομένη κατάταξη ή. πυροθερμικά φορτία από το κτίριο (δομικά στοιχεία, επενδύσεις και τελειώματα) που δεν περιλαμβάνονται στην κατάταξη. Το χαρακτηριστικό πυροθερμικό φορτίο ορίζεται ως: Q =ΣM H Ψ =ΣQ fi, k k, i ui i fi, k, i (4.) όπου : Μ k,i είναι το ποσό του εύφλεκτου υλικού (kg) H ui είναι η καθαρή θερμική απόδοση (MJ/kg) Ψ i είναι ο προαιρετικός συντελεστής για την εκτίμηση των προστατευμένων πυροθερμικών φορτίων. Η χαρακτηριστική πυκνότητα του πυροθερμικού φορτίου ανά μονάδα επιφάνειας ορίζεται ως: q = Q A f, k fi, k (4.3) όπου Α είναι η επιφάνεια του πυροδιαμερίσματος Προστατευμένα πυροθερμικά φορτία Τα πυροθερμικά φορτία ενός πυροδιαμερίσματος, τα οποία έχουν σχεδιαστεί έτσι ώστε να αντέχουν στην έκθεση στην πυρκαγιά (παραμένουν άθικτα) δε χρειάζεται να υπολογίζονται. Η τιμή της χαρακτηριστικής πυκνότητας του πυροθερμικού φορτίου εκτιμάται ανάλογα με τη χρήση της κατασκευής και προσδιορίζεται από τον πίνακα 4.1. Πίνακας 4.1: Χαρακτηριστικές πυκνότητες πυροθερμικού φορτίου q f, k (MJ/m ) για διαφορετικές χρήσεις κατασκευής. Χρήση κατασκευής Μέσος όρος q f,k Κατοικία 780 Νοσοκομείο (δωμάτιο) 30 Ξενοδοχείο (δωμάτιο) 310 Βιβλιοθήκη 1500 Γραφείο 40 Σχολική αίθουσα 85 Εμπορικό κέντρο 600 Θέατρο (κινηματογράφος) 300 Συγκοινωνίες (δημόσιοι χώροι)

67 Οι παραπάνω τιμές του πίνακα ισχύουν για την περίπτωση που ο συντελεστής δ q = Αντίδραση στην καύση Η συμπεριφορά των καυσίμων υλικών πρέπει να λαμβάνεται ως συνάρτηση της χρήσης του πυροδιαμερίσματος και του πυροθερμικού φορτίου. Για τα υλικά κυτταρικού τύπου, ο συντελεστής καύσης μπορεί να λαμβάνεται m= Ρυθμός εκροής θερμότητας Q Ο ρυθμός εκροής θερμότητας Q (W) δίνεται από τη σχέση : Q 6 t = 10 t α (4.4) t είναι ο χρόνος (sec) t α είναι ο χρόνος που απαιτείται για να φθάσει ο ρυθμός εκροής θερμότητας 1MW Η παράμετρος t α και ο μέγιστος ρυθμός απελευθέρωσης θερμότητας RHR f, για διάφορες χρήσεις της κατασκευής δίνονται στον πίνακα 4.. Πίνακας 4.: Ρυθμός ανάπτυξης της φωτιάς και RFRf για διάφορες χρήσεις Μέγιστος ρυθμός απελευθέρωσης θερμότητας RFR f Χρήση Ρυθμός ανάπτυξης φωτιάς t α (s) RFR f (kw/m ) Κατοικία Ενδιάμεσος Νοσοκομείο(δωμάτιο) Ενδιάμεσος Ξενοδοχείο(δωμάτιο) Ενδιάμεσος Βιβλιοθήκη Γρήγορος Γραφείο Ενδιάμεσος Σχολική αίθουσα Ενδιάμεσος Εμπορικό κέντρο Γρήγορος Θέατρο (σινεμά) Γρήγορος Συγκοινωνίες Αργός Οι παραπάνω τιμές του πίνακα για το ρυθμό ανάπτυξης της φωτιάς και τον RFR f ισχύουν για την περίπτωση που ο συντελεστής δ q είναι ίσος με 1.0. Το στάδιο ανάπτυξης ολοκληρώνεται όταν ο ρυθμός Q σταθεροποιηθεί και λάβει την τιμή που δίνεται από την έκφραση (RFR f A fi ) όπου: Α fi είναι η μέγιστη επιφάνεια της πυρκαγιάς, η οποία είναι ίση με την επιφάνεια του πυροδιαμερίσματος σε περίπτωση ομοιόμορφα κατανεμημένου πυροθερμικού φορτίου ή μικρότερη στην περίπτωση τοπικής πυρκαγιάς RFR f είναι ο μέγιστος ρυθμός απελευθέρωσης θερμότητας που παράγεται από 1 m πυρκαγιάς (kw/m ). Η φάση της ύφεσης ξεκινάει όταν έχει καεί ολοκληρωτικά το 70% του συνολικού πυροθερμικού φορτίου. 64

68 65

69 5 Ισοδύναμος χρόνος έκθεσης στη φωτιά Παρατηρούμε ότι για τις πρότυπες καμπύλες η σχέση θερμοκρασίας-χρόνου είναι αύξουσα, πράγμα που δεν είναι ρεαλιστικό καθώς η θερμοκρασία μειώνεται, όταν εξαντλείται το πυροθερμικό φορτίο. Επειδή όμως οι πρότυπες καμπύλες θερμοκρασίας χρόνου παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα, έγινε προσπάθεια να συνδεθούν με τη ρεαλιστική φωτιά με την έννοια του ισοδύναμου χρόνου. Ο ισοδύναμος χρόνος έκθεσης στην πυρκαγιά, που προκύπτει από την πρότυπη καμπύλη θερμοκρασίας - χρόνου είναι ο χρόνος αυτός κατά τον οποίο έχουμε το ίδιο θερμικό αποτέλεσμα, όπως σε μια πραγματική φωτιά στο συγκεκριμένο πυροδιαμέρισμα. Ο προσδιορισμός του ισοδύναμου χρόνου έκθεσης στην πυρκαγιά είναι αντικείμενο του Παραρτήματος F του Ευρωκώδικα 1 μέρους 1-. Η παρακάτω προσέγγιση μπορεί να χρησιμοποιείται όταν ο σχεδιασμός των μελών είναι βασισμένος σε πινακοποιημένα δεδομένα ή σε άλλους απλοποιημένους κανόνες που σχετίζονται με την πρότυπη έκθεση στην πυρκαγιά. Σημείωση: Η μέθοδος που περιγράφεται σε αυτό το παράρτημα είναι εξαρτώμενη από το υλικό. Δεν είναι εφαρμόσιμη σε σύμμικτη ή ξύλινη κατασκευή. Όταν η πυκνότητα του πυροθερμικού φορτίου προσδιορίζεται χωρίς ειδική μελέτη της συμπεριφοράς στην καύση (παράρτημα Ε), τότε αυτή η προσέγγιση πρέπει να περιορίζεται σε πυροδιαμερίσματα με πυροθερμικά φορτία κυτταρινικού (cellulosic) τύπου. Ο ισοδύναμος χρόνος έκθεσης σε πυρκαγιά t e,d (min) προσδιορίζεται από τον τύπο: (, ) t = q k w k ed f d b f c = (, ) ή t q k w k ed t d b t c (5.1) όπου: qtd = qfd Af At q f,d η τιμή σχεδιασμού της πυκνότητας του πυροθερμικού φορτίου, όπου k b ο συντελεστής μετατροπής, όπως εκτιμάται από τον πίνακα 5. w f ο συντελεστής αερισμού, ισχύει w t = w f A t / A f k c ο συντελεστής διόρθωσης που εξαρτάται από το υλικό που συνθέτει τη διατομή και προσδιορίζεται από τον πίνακα 5.1 Πίνακας 5.1: Συντελεστής διόρθωσης kc σε σχέση με το υλικό της διατομής Υλικό διατομής Συντελεστής διόρθωσης k c Οπλισμένο σκυρόδεμα 1,0 Προστατευμένος χάλυβας 1,0 Μη προστατευμένος χάλυβας 13,7 Ο Όταν δε γίνεται λεπτομερής εκτίμηση των θερμικών ιδιοτήτων του περιβλήματος, ο συντελεστής μετατροπής μπορεί να θεωρείται : k b = 0.07 (min m /MJ) Διαφορετικά ο k b σχετίζεται με τη θερμική ιδιότητα b= ( ) ρcλ του περιβλήματος σύμφωνα με τον πίνακα 5.. Ο προσδιορισμός του b για πολλαπλές στρώσεις υλικών ή διαφορετικά υλικά σε τοίχους, δάπεδο, οροφή αναφέρεται αναλυτικά στο Παράρτημα Α του ΕΝ

70 Πίνακας 5.: Συντελεστής μετατροπής kb, που εξαρτάται από τις θερμικές ιδιότητες του περιβλήματος. ( ρcλ) k b (min m /MJ) b= (J/m s 1/ K) b > 500 0,04 70 b 500 0,055 b < 70 0,07 Ο συντελεστής αερισμού w f υπολογίζεται ως εξής : ( ) ( α ) ( α ) wf = 6.0 H , 4 v 1 + b v h 0,5 (5.) όπου: α v = Α v /A f είναι η επιφάνεια των κατακόρυφων ανοιγμάτων στην πρόσοψη (Α v ) ως προς την επιφάνεια του δαπέδου Α f, με τον περιορισμό 0,05 α v 0,5. α h = A h /A f είναι η επιφάνεια των οριζόντιων ανοιγμάτων στην οροφή (Α h ) ως προς την επιφάνεια του δαπέδου Α f. ( ) b = α α 10, 0 v v v (5.3) H είναι το ύψος του πυροδιαμερίσματος. Για μικρά πυροδιαμερίσματα (Α f <100 m ) χωρίς ανοίγματα στην οροφή ο συντελεστής w f μπορεί επίσης να υπολογίζεται ως : w = O A A 1 f f t (5.4) όπου Ο o συντελεστής αερισμού Θα πρέπει να επαληθεύεται ότι: t fi,d t e,d < t fi,d όπου: είναι η τιμή σχεδιασμού του χρόνου αντοχής της πρότυπης πυρκαγιάς των μελών σύμφωνα με τα μέρη του pren 199, pren 1996 και pren Αριθμητικές εφαρμογές Θεωρούμε χώρο γραφείων ορθογωνικής κάτοψης με διαστάσεις 16.00m x 1.5m, δηλαδή επιφάνειας 00m. Το ύψος μεταξύ του δαπέδου και της οροφής είναι.60m. Ο συντελεστής αερισμού του πυροδιαμερίσματος είναι ίσος με Ο=0.04m 0.5 και ο συντελεστής περιβλήματος b=1500 J/m s 0.5 K. Το εμβαδό των ανοιγμάτων είναι 40m, ενώ δεν υπάρχει άνοιγμα στην οροφή. Οι τοίχοι είναι επιπλέον καλυμμένοι με ένα στρώμα γύψου πάχους 1.6mm. Να υπολογιστεί ο ισοδύναμος χρόνος έκθεσης σε πυρκαγιά t e, d και να σχεδιαστούν οι παραμετρικές καμπύλες και οι πρότυπες καμπύλες θερμοκρασίας αέρα και χάλυβα για διατομή IPE00 σε συνάρτηση με τον χρόνο. 67

71 Η επιφάνεια A f του δαπέδου είναι: A f = 00m Από τον Πίνακα F. του Παραρτήματος F του Ευρωκώδικα 1 για b=1500 J/m s 0.5 K προκύπτει ότι ο συντελεστής μετατροπής k b είναι ίσος με min m /MJ. Ενώ από τον Πίνακα F.1. του Παραρτήματος F του Ευρωκώδικα 1 προκύπτει ότι για προστατευμένο χάλυβα ο συντελεστής διόρθωσης k c είναι ίσος με 1.0. Από τον πίνακα Ε.4 του Ευρωκώδικα 1 λαμβάνουμε την τιμή του q f,k ίση με 511 MJ/m. Ο συντελεστής δ q1 εξαρτάται από την επιφάνεια Α f του πυροδιαμερίσματος. Από τον Πίνακα Ε.1 του Παραρτήματος Ε του Ευρωκώδικα 1 με γραμμική παρεμβολή προκύπτει δ q1 = Ο συντελεστής δ q για την περίπτωση γραφείου έχει την τιμή Ο συντελεστής καύσης m λαμβάνεται ίσος με m=0.80. Και τέλος ο συντελεστής δ n για συνήθη μέτρα προστασίας λαμβάνεται ίσος με Άρα η τιμή σχεδιασμού του πυροθερμικού φορτίου είναι ίση με: qf, d= qf, k m δq1 δq δn= = MJ/m Και η τιμή σχεδιασμού του πυροθερμικού φορτίου εκφραζόμενη ως προς τη συνολική επιφάνεια του περιβλήματος είναι: qtd, = q f, daf At = = MJ / m Ο συντελεστής αερισμού w f δίνεται από τον τύπο: ( ) ( ) ( ) wf = 6.0 H av 1+ ba v h 0.5 όπου, av = Av Af = = 0.0 ah = Ah Af = 0, αφού το κτήριο δεν έχει άνοιγμα στην οροφή ( ) ( ) wf = = 0.98 > 0.5 Άρα, t ed, = = min Τελικά, ( ) Ο συντελεστής εξαρτώμενος από τις συνθήκες αερισμού είναι: 68 O Γ= = = 0.60 b Ο χρόνος t lim σε περίπτωση χαμηλού ρυθμού ανάπτυξης της πυρκαγιάς λαμβάνεται ίσος με 5 min, σε περίπτωση μεσαίου ρυθμού 0 min. Και σε περίπτωση γρήγορου ρυθμού ανάπτυξης 15 min. Για την περίπτωση δωματίου ξενοδοχείου ο ρυθμός ανάπτυξης της πυρκαγιάς είναι μεσαίος. Ο μέγιστος χρόνος στον οποίο αναπτύσσεται η μέγιστη θερμοκρασία στο πυροδιαμέρισμα είναι:

72 ( ) td ( ) [ ] ώρες (63.11 min.) tmax = max q, O ; tlim = max ; t max = max 1.05;0.333 = 1.05 Επειδή t lim < t max, η θερμοκρασίας στο τέλος της φάσης ανάπτυξης της πυρκαγιάς είναι: t max =Γ tmax = = 0.63 ώρες ( e e 0.63 e ) θmax = θ = 874 C max Για 0.5<t * max <.0, o καθοδικός κλάδος της φάσης ύφεσης της πυρκαγιάς δίνεται από τον τύπο: * * * * * ( )( ) ( )( ) ( ) θg = θ 50 3 t t t = t 0.63 = t 0.63 max max max Γίνεται χρήση της απλοποιημένης και ανεξάρτητης της ειδικής θερμότητας του μονωμένου υλικού σχέσης: (,, ) λp Ap V θgt θat θat, = t ρ dc p α a [ C] Η ειδικής θερμότητα c a του χάλυβα είναι ίση με 600 J/kgK και η πυκνότητα ρ a του χάλυβα ίση με 7850 kg/m 3. Η θερμική αγωγιμότητα του συστήματος προστασίας έναντι πυρκαγιάς, δηλαδή της γύψου είναι λ p =0.488 W/mK, η πυκνότητα της γύψου ρ p =1150 kg/m 3 και η ειδική θερμότητα c p =1000 J/kgK. Τα χαρακτηριστικά μεγέθη της διατομής IPE00 είναι: h = 00mm b = 100mm A = 3.48cm t w = 5.6mm t f = 8.5mm Η διατομή είναι εκτεθειμένη στην πυρκαγιά από τρεις πλευρές. Η περίμετρος της διατομής που είναι σε επαφή με τον αέρα είναι:s = (h-t f )+3b = (0-0,85)+3 10 = 66,60cm Επομένως ο συντελεστής διατομής θα είναι: A p V S = = = 83.65m 4 A Τελικά η θερμοκρασία του χάλυβα για χρονικά διαστήματα 30 sec δίνεται από την σχέση: ( θgt, θat, ) θat, = t = ( θgt, θat, ) t

73 t (sec) 70 t (min) t (h) t* (h) θg ISO ( C) θα ISO ( C) Δθα,t ( C) θg ( C) 0 0,00 0,0000 0, ,50 0,0083 0, , ,00 0,0167 0, , ,50 0,050 0, ,85 10,00 0,0333 0, ,6 150,50 0,0417 0, , 180 3,00 0,0500 0, , ,50 0,0583 0, , ,00 0,0667 0, , ,50 0,0750 0, , ,00 0,0833 0, , ,50 0,0917 0, , ,00 0,1000 0, , ,50 0,1083 0, , ,00 0,1167 0, , ,50 0,150 0, , ,00 0,1333 0, , ,50 0,1417 0, , ,00 0,1500 0, , 570 9,50 0,1583 0, , ,00 0,1667 0, , ,50 0,1750 0, , ,00 0,1833 0, , ,50 0,1917 0, , ,00 0,000 0, , ,50 0,083 0, , ,00 0,167 0, , ,50 0,50 0, , ,00 0,333 0, , ,50 0,417 0, , ,00 0,500 0, , ,50 0,583 0, , ,00 0,667 0, , ,50 0,750 0, , ,00 0,833 0, , ,50 0,917 0, , ,00 0,3000 0, , ,50 0,3083 0, , ,00 0,3167 0, , ,50 0,350 0, , ,00 0,3333 0, , ,50 0,3417 0, , ,00 0,3500 0, ,69 θα ( C) Δθα,t ( C)

74 190 1,50 0,3583 0, ,36 130,00 0,3667 0, , ,50 0,3750 0, , ,00 0,3833 0, , ,50 0,3917 0, , ,00 0,4000 0, , ,50 0,4083 0, , ,00 0,4167 0, , ,50 0,450 0, , ,00 0,4333 0, , ,50 0,4417 0, , ,00 0,4500 0, , ,50 0,4583 0, , ,00 0,4667 0, , ,50 0,4750 0, , ,00 0,4833 0, , ,50 0,4917 0, , ,00 0,5000 0, , ,50 0,5083 0, , ,00 0,5167 0, , , 31,07 0,5178 0, , ,50 0,550 0, , ,00 0,5333 0, , ,50 0,5417 0, , ,00 0,5500 0, , ,50 0,5583 0, , ,00 0,5667 0, , ,50 0,5750 0, , ,00 0,5833 0, , ,50 0,5917 0, , ,00 0,6000 0, , ,50 0,6083 0, , ,00 0,6167 0, , ,50 0,650 0, , ,00 0,6333 0, , ,50 0,6417 0, , ,00 0,6500 0, , ,50 0,6583 0, , ,00 0,6667 0, , ,50 0,6750 0, , ,00 0,6833 0, , ,50 0,6917 0, , ,00 0,7000 0, , ,50 0,7083 0, ,00 71

75 580 43,00 0,7167 0, , ,50 0,750 0, , ,00 0,7333 0, , ,50 0,7417 0, , ,00 0,7500 0, , ,50 0,7583 0, , ,00 0,7667 0, , ,50 0,7750 0, , ,00 0,7833 0, , ,50 0,7917 0, , ,00 0,8000 0, , ,50 0,8083 0, , ,00 0,8167 0, , ,50 0,850 0, , ,00 0,8333 0, , ,50 0,8417 0, , ,00 0,8500 0, , ,50 0,8583 0, , ,00 0,8667 0, , ,50 0,8750 0, , ,00 0,8833 0, , ,50 0,8917 0, , ,00 0,9000 0, , ,50 0,9083 0, , ,00 0,9167 0, , ,50 0,950 0, , ,00 0,9333 0, , ,50 0,9417 0, , ,00 0,9500 0, , ,50 0,9583 0, , ,00 0,9667 0, , ,50 0,9750 0, , ,00 0,9833 0, , ,50 0,9917 0, , ,00 1,0000 0, , ,50 1,0083 0, , ,00 1,0167 0, , ,50 1,050 0, , ,00 1,0333 0, , ,50 1,0417 0, , ,00 1,0500 0, ,9 7

76 100 Θερμοκρασία ( C) t e,d Χρόνος (min.) θg ISO θa ISO θg θa Ανοξείδωτος χάλυβας Θερμοκρασία ( C) t e,d Χρόνος (min.) θg ISO θa ISO θg θa θa ISO (ca) θa (ca) Αναλυτικοί τύποι c a 100 Θερμοκρασία ( C) t e,d Χρόνος (min.) θg ISO θa ISO θg θa θa ISO (ca) θa (ca) 73

77 Θεωρούμε χώρο γραφείων ορθογωνικής κάτοψης με διαστάσεις 16.00m x 1.5m, δηλαδή επιφάνειας 00m. Το ύψος μεταξύ του δαπέδου και της οροφής είναι.60m. Ο συντελεστής αερισμού του πυροδιαμερίσματος είναι ίσος με Ο=0.07m 0.5 και ο συντελεστής περιβλήματος b=1500 J/m s 0.5 K. Το εμβαδό των ανοιγμάτων είναι 40m, ενώ υπάρχουν ανοίγματα στην οροφή συνολικού εμβαδού 10m. Οι τοίχοι είναι επιπλέον καλυμμένοι με ένα στρώμα γύψου πάχους 1.6mm. Να υπολογιστεί ο ισοδύναμος χρόνος έκθεσης σε πυρκαγιά t e, d και να σχεδιαστούν οι παραμετρικές καμπύλες και οι πρότυπες καμπύλες θερμοκρασίας αέρα και χάλυβα για διατομή IPE00 σε συνάρτηση με τον χρόνο. A f = 00m Η επιφάνεια A f του δαπέδου είναι: Από τον Πίνακα F. του Παραρτήματος F του Ευρωκώδικα 1 για b=1500 J/m s 0.5 K προκύπτει ότι ο συντελεστής μετατροπής k b είναι ίσος με min m /MJ. Ενώ από τον Πίνακα F.1. του Παραρτήματος F του Ευρωκώδικα 1 προκύπτει ότι για προστατευμένο χάλυβα ο συντελεστής διόρθωσης k c είναι ίσος με 1.0. Από τον πίνακα Ε.4 του Ευρωκώδικα 1 λαμβάνουμε την τιμή του q f,k ίση με 511 MJ/m. Ο συντελεστής δ q1 εξαρτάται από την επιφάνεια Α f του πυροδιαμερίσματος. Από τον Πίνακα Ε.1 του Παραρτήματος Ε του Ευρωκώδικα 1 με γραμμική παρεμβολή προκύπτει δ q1 = 1,41. Ο συντελεστής δ q για την περίπτωση γραφείου έχει την τιμή Ο συντελεστής καύσης m λαμβάνεται ίσος με m=0.80. Και τέλος ο συντελεστής δ n για συνήθη μέτρα προστασίας λαμβάνεται ίσος με Άρα η τιμή σχεδιασμού του πυροθερμικού φορτίου είναι ίση με: qf, d= qf, k m δq1 δq δn= = MJ/m Και η τιμή σχεδιασμού του πυροθερμικού φορτίου εκφραζόμενη ως προς τη συνολική επιφάνεια του περιβλήματος είναι: qtd, = q f, daf At = = MJ / m Ο συντελεστής αερισμού w f δίνεται από τον τύπο: ( ) ( ) ( ) wf = 6.0 H av 1+ ba v h 0.5 όπου, av = Av Af = = 0.0 ah = Ah Af = = 0.05 ( ) ( ) b = a a = = v v v ( ) ( ) ( ) wf = = 0.86 > 0.5 Άρα, t ed, = = 7.6 min Τελικά, ( ) Ο συντελεστής εξαρτώμενος από τις συνθήκες αερισμού είναι: 74

78 O Γ= = = 1.83 b Ο χρόνος t lim σε περίπτωση χαμηλού ρυθμού ανάπτυξης της πυρκαγιάς λαμβάνεται ίσος με 5min, σε περίπτωση μεσαίου ρυθμού 0 min. Και σε περίπτωση γρήγορου ρυθμού ανάπτυξης 15min. Για την περίπτωση δωματίου ξενοδοχείου ο ρυθμός ανάπτυξης της πυρκαγιάς είναι μεσαίος. Ο μέγιστος χρόνος στον οποίο αναπτύσσεται η μέγιστη θερμοκρασία στο πυροδιαμέρισμα είναι: ( ) td ( ) [ ] ώρες (36 min.) tmax = max q, O ; tlim = max ; t max = max 1.05;0.333 = 0.60 Επειδή t lim < t max, η θερμοκρασίας στο τέλος της φάσης ανάπτυξης της πυρκαγιάς είναι: t max =Γ tmax = = 1.10 ώρες ( e e 1.10 e ) θmax = θ = 959 C max Για 0.5<t * max <.0, o καθοδικός κλάδος της φάσης ύφεσης της πυρκαγιάς δίνεται από τον τύπο: * * * * * ( )( ) ( )( ) ( ) θg = θ 50 3 t t t = t 1.10 = t 1.10 max max max Γίνεται χρήση της απλοποιημένης και ανεξάρτητης της ειδικής θερμότητας του μονωμένου υλικού σχέσης: at, (,, ) λp Ap V θgt θat θ = t dc p α ρa [ C] Η ειδικής θερμότητα c a του χάλυβα είναι ίση με 600 J/kgK και η πυκνότητα ρ a του χάλυβα ίση με 7850 kg/m 3. Η θερμική αγωγιμότητα του συστήματος προστασίας έναντι πυρκαγιάς, δηλαδή της γύψου είναι λ p =0.488 W/mK, η πυκνότητα της γύψου ρ p =1150 kg/m 3 και η ειδική θερμότητα c p =1000 J/kgK. Τα χαρακτηριστικά μεγέθη της διατομής IPE00 είναι: h = 00mm b = 100mm A = 3.48cm t w = 5.6mm t f = 8.5mm Η διατομή είναι εκτεθειμένη στην πυρκαγιά από τρεις πλευρές. Η περίμετρος της διατομής που είναι σε επαφή με τον αέρα είναι:s = (h-t f )+3b = (0-0.85)+3 10 = 66.60cm A p S = = = 83.65m 4 Επομένως ο συντελεστής διατομής θα είναι: V A

79 76 Τελικά η θερμοκρασία του χάλυβα για χρονικά διαστήματα 30 sec δίνεται από την σχέση: ( θgt, θat, ) θat, = t = ( θgt, θat, ) t t t t θg ISO θα ISO Δθα,t Θg Θα Δθα,t t* (sec) (min) (h) ( C) ( C) ( C) ( C) ( C) ( C) 0 0,00 0,0000 0, ,50 0,0083 0, , ,00 0,0167 0, , ,50 0,050 0, ,65 10,00 0,0333 0, ,01 150,50 0,0417 0, , ,00 0,0500 0, , ,50 0,0583 0, , ,00 0,0667 0, , ,50 0,0750 0, , ,00 0,0833 0, , ,50 0,0917 0, , ,00 0,1000 0, , ,50 0,1083 0, , ,00 0,1167 0, , ,50 0,150 0, , ,00 0,1333 0, , ,50 0,1417 0, , ,00 0,1500 0, , ,50 0,1583 0, , ,00 0,1667 0, , ,50 0,1750 0, , ,00 0,1833 0, , ,50 0,1917 0, , ,00 0,000 0, , ,50 0,083 0, , ,00 0,167 0, , ,50 0,50 0, , ,00 0,333 0, , ,50 0,417 0, , ,00 0,500 0, ,85

80 930 15,50 0,583 0, , ,00 0,667 0, , ,50 0,750 0, , ,00 0,833 0, , ,50 0,917 0, , ,00 0,3000 0, , ,50 0,3083 0, , ,00 0,3167 0, , ,50 0,350 0, , ,00 0,3333 0, , ,50 0,3417 0, , ,00 0,3500 0, , 190 1,50 0,3583 0, ,96 130,00 0,3667 0, ,71 13,4,04 0,3673 0, , ,50 0,3750 0, , ,00 0,3833 0, , ,50 0,3917 0, , ,00 0,4000 0, , ,50 0,4083 0, , ,00 0,4167 0, , ,50 0,450 0, , ,00 0,4333 0, , ,50 0,4417 0, , ,00 0,4500 0, , ,6 7,6 0,4543 0, , ,50 0,4583 0, , ,00 0,4667 0, , ,50 0,4750 0, , ,00 0,4833 0, , ,50 0,4917 0, , ,00 0,5000 0, , ,50 0,5083 0, , ,00 0,5167 0, , ,50 0,550 0, , ,00 0,5333 0, , ,50 0,5417 0, ,59 77

81 ,00 0,5500 1, , ,50 0,5583 1, , ,00 0,5667 1, , ,50 0,5750 1, , ,00 0,5833 1, , ,50 0,5917 1, , ,00 0,6000 1, , Θερμοκρασία ( C) t e,d Χρόνος (min.) θg ISO θa ISO θg θa Ανοξείδωτος χάλυβας 100 Θερμοκρασία ( C) t e,d Χρόνος (min.) θg ISO θa ISO θg θa θa ISO (ca) θa (ca) 78

82 Αναλυτικοί τύποι ca 100 Θερμοκρασία ( C) t e,d Χρόνος (min.) θg ISO θa ISO θg θa θa ISO (ca) θa (ca) 79

83 6 Ευρωκώδικας 4 Σχεδιασμός σύμμικτων κατασκευών από χάλυβα και σκυρόδεμα. Μέρος 1-: Γενικοί Κανόνες - Σχεδιασμός έναντι πυρκαγιάς 6.1 Παράρτημα D: Προσομοίωμα για τον υπολογισμό της αντοχής έναντι πυρκαγιάς των απροστάτευτων σύμμεικτων πλακών, που εκτίθενται σε πυρκαγιά κάτω από την πλάκα σύμφωνα με την πρότυπη καμπύλη θερμοκρασίας χρόνου Εισαγωγή Το παράρτημα D του ΕΝ αναφέρεται σε απροστάτευτες σύμμικτες πλάκες που εκτίθενται σε πυρκαγιά κάτω από την πλάκα σύμφωνα με την πρότυπη καμπύλη θερμοκρασίας-χρόνου και μας δίνει ένα προσομοίωμα υπολογισμού. Οι σύμμικτες πλάκες αποτελούνται από χαλυβδόφυλλα και έγχυτο σκυρόδεμα. Σύμφωνα με το παραπάνω παράρτημα οι έλεγχοι που πρέπει να ακολουθηθούν είναι οι εξής : Αντοχή έναντι πυρκαγιάς με βάση την θερμική μόνωση όπου πρέπει να ικανοποιείται το κριτήριο I. Το κριτήριο I θεωρείται ότι ικανοποιείται όπου η μέση αύξηση της θερμοκρασίας ολόκληρης της μη-εκτιθέμενης επιφάνειας περιορίζεται σε C, και η μέγιστη αύξηση της θερμοκρασίας σε οποιοδήποτε σημείο της επιφάνειας αυτής δεν υπερβαίνει τα C. Αντοχή με βάση την φέρουσα ικανότητα όπου πραγματοποιούνται έλεγχοι σε θετικές και αρνητικές ροπές. Στους υπολογισμούς λαμβάνεται υπόψη η γεωμετρία του χαλυβδόφυλλου, η θέση των οπλισμών,η ποιότητα των υλικών. Επίσης διακρίνονται περιπτώσεις ανάλογα με την αντοχή έναντι πυρκαγιάς που εξετάζουμε (σε min), την διατομή του χαλυβδόφυλλου (τραπεζοειδής η με εσοχές) καθώς και αν το σκυρόδεμα είναι με κανονικά η με ελαφρά αδρανή. Για τον υπολογισμό της αρνητικής ροπής αντοχής λαμβάνουμε υπόψη μια μειωμένη διατομή, τα τμήματα της οποίας είναι κάτω από μία οριακή θερμοκρασία. Η πρότυπη αντοχή έναντι πυρκαγιάς είναι συνάρτηση του ενεργού πάχους της σύμμεικτης πλάκας όπως αυτό καθορίζεται από το παρόν παράρτημα. Το προσομοίωμα υπολογισμού δεν μπορεί να εφαρμοστεί σε όλα τα χαλυβδόφυλλα,έχει συγκεκριμένο πεδίο εφαρμογής το οποίο και καθορίζεται και για τους δύο τύπους χαλυβδόφυλλων. Παρατίθεται αυτούσιο το παράρτημα και στην συνέχεια αριθμητική εφαρμογή. Η αριθμητική εφαρμογή που ακολουθεί εξετάζει την περίπτωση σύμμικτης πλάκας η οποία αποτελεί μέρος εμπορικού κέντρου και έχει απαίτηση αντοχής έναντι πυρκαγιάς R90. Ακολουθούν συμπεράσματα και περαιτέρω διερεύνηση με αριθμητικά παραδείγματα Αντοχή έναντι πυρκαγιάς με βάση τη θερμική μόνωση (1) Η αντοχή έναντι πυρκαγιάς σε σχέση με την αύξηση τόσο της μέσης θερμοκρασίας (=140 C) όσο και της μέγιστης θερμοκρασίας (=180 C), κριτήριο «Ι», μπορεί να προσδιορίζεται σύμφωνα με την ακόλουθη εξίσωση: 80

84 t i A 1 A 1 = a0 + a1 h1 + a Φ + a3 + a4 + a5 (6.1) L L r 3 r 3 όπου: t i η αντοχή έναντι πυρκαγιάς σε σχέση με την θερμική μόνωση [min] A όγκος σκυροδέματος της νεύρωσης ανά μέτρο μήκους της νεύρωσης [mm 3 /m] L r εκτιθέμενη επιφάνεια της νεύρωσης ανά μέτρο μήκους της νεύρωσης [mm /m] A L r συντελεστής της γεωμετρίας των νευρώσεων [mm] Φ ο συντελεστής όψης του άνω πέλματος [-] το πλάτος του άνω πέλματος (βλέπε Σχήμα 6.1) [mm]. 3 Οι συντελεστές a i, για διαφορετικές τιμές του ύψους του σκυροδέματος h 1, τόσο για σκυρόδεμα με κανονικά αδρανή όσο και για σκυρόδεμα με ελαφρά αδρανή, δίδονται στο Σχήμα 6.1 και στον Πίνακα 6.1. Για ενδιάμεσες τιμές, επιτρέπεται η γραμμική παρεμβολή. ½ 3 1 area: A h 1 h exposed surface: L r A L r = h. h + 1 (6.) Σχήμα 6.1: Ορισμός του συντελεστή της γεωμετρίας των νευρώσεων A/L r για νευρώσεις σύμμικτων πλακών. Πίνακας 6.1: Συντελεστές για τον προσδιορισμό της αντοχής έναντι πυρκαγιάς με βάση τη θερμική μόνωση a 0 [min] a 1 [min/mm] a [min] a 3 [min/mm] a 4 [mm min] a 5 [min] Σκυρόδεμα με κανονικά αδρανή Σκυρόδεμα με ελαφρά αδρανή -8,8 1,55-1,6 0, ,0-79,,18 -,44 0, ,3 () Ο συντελεστής διαμόρφωσης ή όψης Φ του άνω πέλματος μπορεί να προσδιορίζεται ως εξής: l1 l l1 l Φ = h + l3 h l3 + + (6.3) Υπολογισμός της θετικής καμπτικής ροπής αντοχής M fi,rd + (1) Οι θερμοκρασίες a θ του κάτω πέλματος, του κορμού και του άνω πέλματος του χαλύβδινου καταστρώματος μπορούν να δίδονται από τη σχέση: 81

85 θ a = b b1 3 + b A L r + b 3 Φ + b 4 Φ (6.4) όπου: θ a είναι η θερμοκρασία του κάτω πέλματος, του κορμού ή του άνω πέλματος [ C] Οι b i, τόσο για το σκυρόδεμα με κανονικά αδρανή όσο και για το σκυρόδεμα με ελαφρά αδρανή, δίδονται στον Πίνακα 6.. Για ενδιάμεσες τιμές, επιτρέπεται η γραμμική παρεμβολή. Πίνακας 6.: Συντελεστές για τον προσδιορισμό των θερμοκρασιών των τμημάτων του χαλύβδινου καταστρώματος Σκυρόδεμα Αντοχή έναντι πυρκαγιάς [min] Τμήμα του χαλυβδόφυλλου b 0 [ o C] b 1 [ o C]. mm b [ o C]. mm b 3 [ o C] b 4 [ o C] Σκυρόδεμα με κανονικά αδρανή Σκυρόδεμα με αλαφρά αδρανή 60 Κάτω πέλμα Κορμός Άνω πέλμα 90 Κάτω πέλμα Κορμός Άνω πέλμα 10 Κάτω πέλμα Κορμός Άνω πέλμα 30 Κάτω πέλμα Κορμός Άνω πέλμα 60 Κάτω πέλμα Κορμός Άνω πέλμα 90 Κάτω πέλμα Κορμός Άνω πέλμα 10 Κάτω πέλμα Κορμός Άνω πέλμα ,3 -,96 -,6-1,55 -,1-1,79-1,13-1,8-1,67 -,65 -,6-1,54-1,3-1,67-1,0-0,91-1,36-0,99-0,65-1,07-0,9 86,4 537,7 1148,4 65,1 464,9 767,9 46,7 344, 59,6 114,5 439,6 488,8 47,7 46,5 664,5 3,7 87,8 469,5 19,8 186,1 305, -150,7-351,9-679,8-108,1-340, -47,0-8,8-67,4-379,0-181, -44,0-131,7-81,1-303,0-410,0-60,8-30,3-313,0-43,7-15,6-197, () Ο συντελεστής όψης Φ του άνω πέλματος και ο συντελεστής της γεωμετρίας των ραβδώσεων A/L r μπορούν να προσδιορίζονται σύμφωνα με το Σχήμα 6.1. (3) Η θερμοκρασία θ s των ράβδων οπλισμού μέσα στη νεύρωση (βλέπε Σχήμα 6.) δίδεται από: θ s = c 0 + c 1 u h 3 + A ( c ) + ( ) + z + c3 c4 α c5 Lr 3 1 (6.5) όπου: θ s η θερμοκρασία του πρόσθετου οπλισμού μέσα στη νεύρωση [ C] u 3 απόσταση από το κάτω πέλμα [mm] z ένδειξη της θέσης του οπλισμού στη νεύρωση (βλέπε (4)) [mm -0.5 ] α γωνία του κορμού [μοίρες] Οι c i τόσο για σκυρόδεμα με κανονικά αδρανή όσο και για σκυρόδεμα με ελαφρά αδρανή, δίδονται στον Πίνακα 6.3. Για ενδιάμεσες τιμές, επιτρέπεται γραμμική παρεμβολή. 8

86 c Πίνακας 6.3: Συντελεστές για τον προσδιορισμό των θερμοκρασιών των ράβδων οπλισμού στη νεύρωση. Σκυρόδεμα Αντοχή έναντι c 0 c 1 c c 4 c 5 πυρκαγιάς [min] [ o C] [ o C] [ o C]. mm [ o C].mm [ o C/ o ] [ o C].mm Σκυρόδεμα ,01 1,04-95 με κανονικά ,30 1, αδρανή ,79 1, Σκυρόδεμα ,70 0, με αλαφρά ,11 1, αδρανή ,46, ,44, Σχήμα 6.: Παράμετροι για την θέση των ράβδων οπλισμού (4) Ο συντελεστής z ο οποίος υποδεικνύει τη θέση της ράβδου οπλισμού δίδεται από: 1 z = + + (6.6) u 1 u u3 (5) Οι αποστάσεις u 1, u και u 3 εκφράζονται σε mm και ορίζονται με τον ακόλουθο τρόπο: u 1, u : συντομότερη απόσταση του κέντρου της ράβδου οπλισμού από οποιοδήποτε σημείο των κορμών του χαλυβδόφυλλου, u 3 : απόσταση του κέντρου της ράβδου οπλισμού από το κάτω πέλμα του χαλυβδόφυλλου Υπολογισμός της αρνητικής καμπτικής ροπής αντοχής M fi,rd - : (1) Ως συντηρητική προσέγγιση, μπορεί να αμελείται η συμβολή του χαλύβδινου καταστρώματος στην αρνητική ροπή αντοχής σε κάμψη. () Η αρνητική ροπή αντοχής σε κάμψη της πλάκας υπολογίζεται λαμβάνοντας υπόψη μια μειωμένη διατομή. Τα τμήματα της διατομής, με θερμοκρασίες μεγαλύτερες από μια συγκεκριμένη οριακή θερμοκρασία θ lim, δε λαμβάνονται υπόψη. Η εναπομένουσα διατομή θεωρείται σαν υπό συνθήκες θερμοκρασίας δωματίου. (3) Η εναπομένουσα διατομή προσδιορίζεται βάσει της ισόθερμου για την οριακή θερμοκρασία (βλέπε Σχήματα 6.3). Η ισόθερμος για την οριακή θερμοκρασία, προσδιορίζεται μέσω 4 χαρακτηριστικών σημείων, ως εξής: σημείο I: βρίσκεται στον κεντρικό άξονα της νεύρωσης, σε απόσταση από το κάτω πέλμα του χαλυβδόφυλλου και υπολογίζεται συναρτήσει της οριακής θερμοκρασίας σύμφωνα με την εξίσωση 6.7 και 6.9 του (4) και (5), 83

87 σημείο IV: βρίσκεται στον κεντρικό άξονα μεταξύ δύο νευρώσεων, σε απόσταση από το άνω πέλμα του χαλυβδόφυλλου και υπολογίζεται συναρτήσει της οριακής θερμοκρασίας σύμφωνα με τις εξισώσεις 6.7 και 6.14 του (4) και (5);, σημείο II: βρίσκεται πάνω σε μία γραμμή που διασχίζει το σημείο I, παράλληλη στο κάτω πέλμα του χαλυβδόφυλλου, και σε μια απόσταση από τον κορμό του χαλυβδόφυλλου, ίση με εκείνη από το του κάτω πέλμα, σημείο III: βρίσκεται πάνω σε μια γραμμή που διασχίζει το άνω πέλμα του χαλυβδόφυλλου, σε απόσταση από τον κορμό του χαλυβδόφυλλου, ίση με την απόσταση του σημείου IV από το άνω πέλμα. Η ισόθερμος προσδιορίζεται μέσω γραμμικής παρεμβολής μεταξύ των σημείων I, II, III και IV. ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Η οριακή θερμοκρασία απορρέει από συνθήκες ισορροπίας στην διατομή και ως εκ τούτου δεν έχει καμία σχέση με την διείσδυση της θερμοκρασίας. A) Κατανομή θερμοκρασίας σε μια διατομή Ισόθερμο για θ = θ Ισόθερμο για θ = θ lim Ισόθερμο για θ = θ 1 θ lim θ θ 1 Θερμοκρασία (1) Σχήμα 6.3: Σχηματοποίηση ισόθερμου θ = θ B) Σχηματοποίηση της ειδικής ισόθερμου lim Y N s =Af ay III I II IV y M=N s y f c (4) Η οριακή θερμοκρασία, θlim δίδεται από: X θ lim A = d0 + d1 N s + d + d 3 Φ + d L r (6.7) όπου: N s είναι η αξονική δύναμη στον οπλισμό που οφείλεται στις αρνητικές ροπές [N] Οι συντελεστές d i, τόσο για το σκυρόδεμα με κανονικά αδρανή όσο και για το σκυρόδεμα με ελαφρά αδρανή, δίδονται στον Πίνακα D.3.3. Για ενδιάμεσες τιμές, επιτρέπεται γραμμική παρεμβολή. (5) Οι συντεταγμένες των τεσσάρων σημείων I έως IV δίδονται από: 84

88 X I = 0 (6.8) Y I = Y II = 1 z (6.9) 1 YI X II = + ( cosα 1) h (6.10) με: α = arctan sinα 1 X III 1 b = 1 (6.11) 1 1 sinα με: a = 1 sinα z h Y III = h (6.1) με: b = 1 a 4a + c 1 sinα 1 a 1 1 X IV = (6.13) με: c = 8 ( a ); a 8 YIV + = h b (6.14) με: c = + 8 ( a ); a < 8 Πίνακας 6.4: Συντελεστές για τον προσδιορισμό της οριακής θερμοκρασίας περιορισμού. Σκυρόδεμα Σκυρόδεμα με κανονικά αδρανή Σκυρόδεμα με ελαφρά αδρανή Αντοχή έναντι πυρκαγιάς [min] d 0 [ o C] d 1 [ o C]. N -1, , , , , , , d [ o C]. mm -8,75-9,91-9,71-3,43-10,95-10,88-10,09 d 3 [ o C] d 4 [ o C]. mm (6) Η παράμετρος z που δίδεται στο (5) μπορεί να επιλυθεί από την εξίσωση για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας των ράβδων οπλισμού (δηλ. εξίσ. 6.5), θεωρώντας u 3 h = 0.75 και χρησιμοποιώντας θ s =θ lim. (7) Στην περίπτωση που Y I > h, οι νευρώσεις της πλάκας μπορεί να αμεληθούν. Ο Πίνακας 6.5 μπορεί να χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της θέσης του ισόθερμου με συντηρητική προσέγγιση. 85

89 () (3) Πίνακας 6.5: Κατανομή της θερμοκρασίας σε μια συμπαγή πλάκα πάχους 100 mm, αποτελούμενης από σκυρόδεμα με κανονικά αδρανή και όχι μονωμένης. Βάθος Θερμοκρασία θ C [ C] μετά από x μια πυρκαγιά διάρκειας, σε min, mm ' 60' 90' 10' 180' 40' h eff x θ c Θερμαινόμενη κάτω πλευρά της πλάκας (8) Η αρνητική ροπή αντοχής σε κάμψη υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την εναπομένουσα διατομή η οποία προσδιορίζεται από τα (1) έως (7). (9) Για σκυρόδεμα με ελαφρά αδρανή, οι θερμοκρασίες του Πίνακα 6.5 μειώνονται στο 90% των τιμών που δίδονται Ενεργό πάχος μιας σύμμικτης πλάκας (1) Το ενεργό h eff δίδεται από τον τύπο: h h eff = h 1 = h + 0,5 h 1 + 0, eff για h h1 1,5 και h 1 > 40 mm (6.15) για h h1 > 1,5 και h 1 > 40 mm (6.16) Οι διαστάσεις της διατομής της πλάκας h 1, h, 1, και 3 δίδονται στα Σχήματα 4.1 και 4.. () Εάν 3 > 1, το ενεργό πάχος μπορεί να λαμβάνεται ίσο με h 1. (3) Η σχέση μεταξύ της αντοχής έναντι πυρκαγιάς συναρτήσει του κριτηρίου θερμικής μόνωσης και του ελάχιστου ενεργού πάχους της πλάκας h δίδεται στον Πίνακα 6.6 για συνήθεις περιπτώσεις αντοχής έναντι πυρκαγιάς, όπου 3 h είναι το πάχος της επίστρωσης, εάν υφίσταται, στο πάνω μέρος της πλάκας από σκυρόδεμα. eff 86

90 Πίνακας 6.6: Ελάχιστο ενεργό πάχος ως συνάρτηση της πρότυπης αντοχής έναντι πυρκαγιάς Πρότυπη αντοχή έναντι πυρκαγιάς R 30 R 60 R 90 R 10 R 180 R 40 Ελάχιστο ενεργό πάχος h eff [mm] 60 - h h h h 3 - h 3 - h Πεδίο εφαρμογής (1) Το πεδίο εφαρμογής των απροστάτευτων σύμμικτων πλακών δίδεται στον Πίνακα 6.7 τόσο για σκυρόδεμα κανονικών αδρανών (NC) όσο και για σκυρόδεμα ελαφρών αδρανών (LC). Πίνακας 6.7: Πεδίο εφαρμογής για χαλυβδόφυλλα με εσοχές 77,0 l 1 135,0 mm 110,0 l 150,0 mm 38,5 l 3 97,5 mm 50,0 h 1 130,0 mm 30,0 h 60,0 mm για τραπεζοειδή χαλυβδόφυλλα 80,0 l 1 155,0 mm 3,0 l 13,0 mm 40,0 l 3 115,0 mm 50,0 h 1 15,0 mm 50,0 h 100,0 mm 6. Αριθμητικές εφαρμογές 6..1 Υπολογισμός αντοχής απροστάτευτης σύμμικτης πλάκας με χαλυβδόφυλλο τραπεζοειδούς διατομής, που εκτίθεται σε πυρκαγιά κάτω από την πλάκα σύμφωνα με την πρότυπη καμπύλη θερμοκρασίας χρόνου. ΣΥΜΜΙΚΤΗ ΠΛΑΚΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ Έστω η σύμμικτη πλάκα SYMDECK 73 της εταιρείας ΕΛΑΣΤΡΟΝ σε εμπορικό κέντρο. 87

91 Με στατικό προσομοίωμα: Με γεωμετρία του τραπεζοειδούς χαλυβδόφυλλου SYMDECK 73: Και με γεωμετρικά και αδρανειακά χαρακτηριστικά του τραπεζοειδούς χαλυβδόφυλλου πάχους t = 1mm SYMDECK 73 ανά μέτρο πλάτους διατομής: Κατηγορία χαλυβδόφυλλου S30: f yp = 30 MPa ΟΠΛΙΣΜΟΣ: S500 f ys = 500MPa Φ1 Φ8/0 ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ: C5/30 f = 5 N / mm C 88

92 ΦΟΡΤΙΑ Στην φάση λειτουργίας: Μόνιμα: χαλυβδόφυλλο: 0,13 KN / m 0, , 0500 Σκυρόδεμα: 0,08*5 + 5,33*0,073* *5 =,7 KN / m Επικάλυψη: 1, KN / m Κινητά: p = 3,5 KN / m Στην φάση κατασκευής: Μόνιμα: χαλυβδόφυλλο: 0,13 KN / m 0, , 0500 Σκυρόδεμα: 0,08*5 + 5,33*0,073* *5 =,7 KN / m Κινητά: (πρόκειται για το φορτίο διάστρωσης από EC4) p = 0,75 KN / m 1 p = 0,75 KN / m και πρόσθετο ομοιόμορφο φορτίο που δρα σε επιφάνεια 3x3 *συντηρητικά χρησιμοποιούμε και τα 5m για λόγους ασφαλείας. ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΥΜΜΙΚΤΗΣ ΠΛΑΚΑΣ ΣΕ ΣΥΝΗΘΕΙΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΦΑΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ Φορτία σχεδιασμού : q = 1,35*(0,13+, 7) + 1,5*1,5 = 6, 07 KN / m sd Δρώσες ροπές Από το στατικό σύστημα: q* l 6,07*5 M B = = = 4,74 KN * m / m 3 3 Υπολογισμός ροπής στο άνοιγμα: 89

93 Σ M = 0,5 QA*,5 6,07* + 4,74= 0 QA = 5,69 KN / m 1 5,69 max M AB = (max M BΓ) = *5, 69* =, 67 KN * m / m 6,07 + M =,67 KN * m / m sd στη στ ήριξη _ Β : M = 4,74 KN * m / m sd Β Ροπές αντοχής Εμβαδό χαλυβδόφυλλου: Κέντρο βάρους: AP = 94,93mm Z p 7,3 *0,105/+,5*7,3*0,1 3,13 = = 1, 47 cm 3,13 ψ = = 0,755 Λόγος τάσεων : 7,3 3,13 f y 1 ψ f y ε = = = 1,15 ψ * f y 0, 755 Θλιπτική τάση άνω πέλματος : b 9 = = 9 > 4* ε = 48,5 Από πίνακα : t 1 Άρα το άνω πέλμα και ολόκληρη η διατομή είναι κατηγορίας 4. Συνεπώς ο περαιτέρω υπολογισμός θα γίνει σύμφωνα με τον EC3 για την ενεργό διατομή. Λυγηρότητα θλιβόμενου πέλματος : b/ t 9 λρ = = = 1, 41 8, 4* ε* κ 8, 4*1,15* 4 σ Μειωτικός συντελεστής: ρ = λ λ = = ( ρ 0,)/ ρ (1,41 0,) /1,41 0,60 Ενεργό πλάτος πέλματος : 90

94 b = ρ * b = 0, 60*9 = 55, mm eff Για το εξεταζόμενο τμήμα χαλυβδόφυλλου: beff 55, = = 7,6 mm Εμβαδό ενεργού διατομής: Aeff 5,0 = *(, 76*0,1+ 7,3*0,105 + *0,1) = *1, 93 =,585cm Κέντρο βάρους ενεργού διατομής: zeff 7,3 *0,105/ +,5*7,3*0,1 3,57 = = 1, 93 cm Ροπή αδράνειας ενεργού διατομής: 7,3 I eff = *(,76*0,1*3,57 + *0,105+ 7,3*0,105*(3,65 3,57) + 1 4,5*0,1*(7,3 3,57) ) = 7,47cm Ροπή αντίστασης : w eff Ieff 7,47 = = =,10cm z 3,56 eff 3 Ροπή αντοχής : f y, p 1 3, 0 1 M Rd = weff * * =,10* * = 0,611 KN * m / 0,1875m 1, ,1 100 Σε 187,5mm : M Rd = 3, 6 KN * m / m < M sd = 4.74 KN * m / m (στο στήριγμα) (επειδή ο έλεγχος δεν ικανοποιείται χρειαζόμαστε ενδιάμεση υποστήριξη στο μέσον του φατνώματος) ΦΑΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ 91

95 Φορτία σχεδιασμού: q = 1,35*(0,13+, 7 + 1, ) + 1,5*3,5 = 10, 69 KN / m sd Δρώσες ροπές ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΕ ΡΟΠΕΣ Από το στατικό σύστημα: q* l 10, 69*5 M B = = = 8,35 KN * m / m 3 3 Υπολογισμός ροπής στο άνοιγμα:,5 QA*,5 10, 69* + 8,35 = 0 QA = 10, 0 KN / m 1 10, 0 max M AB = (max M BΓ) = *10, 0* = 4, 70 KN * m / m 10, 69 + M = 4,70 KN * m / m sd M = 8,35 KN * m / m sd Ροπές αντοχής Θετική ροπή αντοχής : 5 fcd = 0,85* = 14,17 N / mm 1, 5 30 f pd = = 90,91 N / mm 1,1 Εφελκυστική Δύναμη: Z = ( ,99) mm * 90,91 N / mm = 85,81KN Κέντρο βάρους χαλυβδόφυλλου: 7,3 *0,105/+,5*7,3*0,1 = = 3,13 cm 1, ,81*10 Z0 = = 3, 1mm < 80 mm (95,5 + 9)*14,17 Z p 9

96 + 85,81 3, 3 M pl, Rd = *(8 + 3,13 ) = 8,16 KN * m ,16 M pl, Rd = = 43,55 KN * m / m > 4,70 KN * m / m 0, , 09 Αρνητική ροπή αντοχής: 187,5 π *8 As = * = 47,1 mm fsd = = 434, 78 N / mm 1,15 Z = 0,49 KN pl, Rd 0,44 Z0 = (7,3+ 8) = 13,31cm 7, 75*1, 417 0, 49 7, ,31 M pl, Rd = *(13,31 0, + ) =,89 KN * m 100 Αν ά187,5mm M =,89 / 0,1875 = 15, 41 KN * m / m > 8,35 KN * m / m ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΕ ΤΕΜΝΟΥΣΕΣ Δρώσες τέμνουσες Q = 10, 0 KN / m A Q q* l Q = 0 Q = 10, 0 10, 69*,5 Q = 16, 70 KN / m A 1 Bαρ Bαρ Bαρ l,5 MB + QB δεζ * l q* = 0 QB δεζ = ( 8, ,69* ) /,5 Q = 10, 03 KN / m Bδεζ Q q * l Q = 0 Bδεζ Q = 16, 70 KN / m Γ Γ Τέμνουσες αντοχής: 93

97 ΧαλυβδόφυλλοκυEπρίστόδρεωμασητ = 0,5* f / γ,, γ = 1,5 για Rd ctk 0,05 c c C5 / 30 f ctk 0,05 = 1, 8 Από σχετικό πίνακα : τ = 0, 5*0,18 /1,5 = 0, 03 KN / cm d Rd p = 8, ,13= 11,13 cm Aρ,95 ρ = = = 0,036 b * 7, 75*11,13 K 0 = 1, 6 d = 1, 6 0,1113= 1, 49 > 1 Rd 0 p Rd p max V = b * d * τ * K *(1, + 40 ρ) = 0, 03*7, 75*11,13*1, 49*(1, + 40*0, 036) V ν Rd = 9,555 KN σε 0,1875m V = 50,96 KN / m > Q = 16, 70 KN / m Rd ν ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΕ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΠΥΡΚΑΓΙΑΣ ΒΑΣΕΙ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΟΣ D ΤΟΥ ΕΝ :005 ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΩΝ ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΩΝ ΔΙΑΣΤΑΣΕΩΝ: Εξετάζεται εάν η γεωμετρία του χαλυβόφυλλου εμπίπτει στο πεδίο εφαρμογής του κανονισμού και αν το ενεργό πάχος σκυροδέματος είναι συμβατό με τον απαιτούμενο δείκτη πυραντίστασης. h Σeff h 3 h 1 h 1 3 α) γεωμετρία χαλυβδόφυλλου Από πίνακα D7 του Παραρτήματος D του ΕΝ για το τραπεζοειδές χαλυβδόφυλλο πάχους 1 mm που χρησιμοποιούμε έχουμε: για τραπεζοειδή χαλυβδόφυλλα πρέπει: 80,0 l 1 155,0 mm 3,0 l 13,0 mm 40,0 l 3 115,0 mm 50,0 h 1 15,0 mm 50,0 h 100,0 mm 94

98 l = 95,5mm ok 1 l = 50,0 mm ok l = 9,0 mm ok 3 h = 80,0 mm ok 1 h = 73, 0 mm ok β) ενεργό πάχος πλάκας h = 80mm h 1 = 73mm h > 40mm 1 h / h = 0,913 < 1, ,5 + 50, 0 heff = h1 + 0,5 h = ,5*73*( ) = 108mm ,5 + 9, 0 Άρα : από πίνακα D.6 του Παραρτήματος D του ΕΝ παίρνουμε: Πρότυπη αντοχή έναντι πυρκαγιάς R 30 R 60 R 90 R 10 R 180 R 40 Ελάχιστο ενεργό πάχος h eff [mm] 60 -h h h h h h 3 Για αντοχή έναντι πυρκαγιάς R90 πρέπει: h min h = 100 h = = 65mm eff eff h = 108mm > 65mm eff 3 Άρα είμαστε o.k. ΚΡΙΤΗΡΙΟ ΜΟΝΩΤΙΚΗΣ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑΣ 95

99 (1). Μια σύμμικτη πλάκα πρέπει να έχει χαρακτηριστικά και διαστάσεις τέτοια που να παρεμποδίζουν, για το χρονικό διάστημα που ορίζει ο απαιτούμενος δείκτης πυραντίστασης, τη μετάδοση της πυρκαγιάς στον ανώτερο όροφο, πρέπει δηλαδή να ικανοποιεί το κριτήριο μόνωσης ( κριτήριο «Ι» ). Το κριτήριο «I» θεωρείται ότι ικανοποιείται όπου η μέση αύξηση της θερμοκρασίας ολόκληρης της μη-εκτιθέμενης επιφάνειας περιορίζεται σε C, και η μέγιστη αύξηση της θερμοκρασίας σε οποιοδήποτε σημείο της επιφάνειας αυτής δεν υπερβαίνει τους C.Ικανοποιείται δε εάν ο χρόνος t i είναι μεγαλύτερος του δείκτη πυραντίστασης. t i = a + a h + a Φ + a A L r + a a 5 A L r 1 3 Συντελεστής γεωμετρίας νευρώσεων : A L r 1+ h. 95,5 + 50, 0 73*( ) = = = 6,17mm 95,5 50, * 73 ( ) + h ().Συντελεστής διαμόρφωσης ή όψης του άνω πέλματος: l1 l l1 l Φ= h + l3+ h + l3 Φ= 0,647 Για σκυρόδεμα με κανονικά αδρανή από πίνακα 6.8 παίρνουμε τους συντελεστές a i Πίνακας 6.8: Συντελεστές για τον προσδιορισμό της αντοχής έναντι πυρκαγιάς με βάση τη θερμική μόνωση a 0 [min] a 1 [min/mm] a [min] a 3 [min/mm] a 4 [mm min] a 5 [min] Σκυρόδεμα με κανονικά αδρανή -8,8 1,55-1,6 0, ,0 Σκυρόδεμα με ελαφρά αδρανή -79,,18 -,44 0, ,3 Άρα 1 1 t i = 8,8 + 1,55*80 1, 6*0, ,33* 6,17 735* + 48* 6,17* = 101,35 min > 90 min 9 9 Συνεπώς δεκτό και άρα ικανοποιείται το κριτήριο I ΚΡΙΤΗΡΙΟ ΦΕΡΟΥΣΑΣ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑΣ α)δρώντα εντατικά μεγέθη Σε κατάσταση πυρκαγιάς : 96

100 E = E( G + A + ψ Q ) da K d, i K, i Για εμπορικό κέντρο: ψ,1 = 0,6 έχω : Q = (0,13 +, 7 + 1, ) + 0, 6*3,5 = 6,13 KN / m G k + ψ fiqk,1 6,13 = = 0,573 γ k η fi = GG + γ Q,1Q k,1 1,35*(0,13+,7+ 1,) + 1,5*3,5 M fi, d = n fi *4,70 KN * m / m =,69 KN * m / m (θετική) M fi, d = n fi *8,35 KN * m / m = 4,78 KN * m / m (αρνητική) Ή από το στατικό σύστημα : Ροπή στο στήριγμα: Q* l 6,13*5 M B = = = 4,79 KN * m / m 3 3 Υπολογισμός Ροπής στο άνοιγμα:,5 QA*,5 6,13* + 4, 79 = 0 QA = 5, 75 KN / m 1 5,75 max M AB = (max M BΓ) = *5, 75* =, 69 KN * m / m 6,13 M, =,69 KN * m / m fi d M fi, d = 4,78 KN * m / m (θετική) (αρνητική) + β) Υπολογισμός της θετικής καμπτικής ροπής αντοχής M fi,rd Οι θερμοκρασίες θ a του κάτω πέλματος, του κορμού και του άνω πέλματος του χαλύβδινου καταστρώματος μπορούν να δίδονται από τη σχέση: θ a = b b1 3 + b A L r + b 3 Φ + b 4 Φ Τους συντελεστές i b για σκυρόδεμα με κανονικά αδρανή και R90 τους παίρνουμε από τον πίνακα 6.9. Πίνακας 6.9: Συντελεστές για τον προσδιορισμό των θερμοκρασιών των τμημάτων του χαλύβδινου καταστρώματος 97

101 Σκυρόδεμα Σκυρόδεμα με κανονικά αδρανή Σκυρόδεμα με ελαφρά αδρανή Αντοχή έναντι πυρκαγιάς [min] Τμήμα του χαλυβδόφυλλου Κάτω πέλμα Κορμός Άνω πέλμα Κάτω πέλμα Κορμός Άνω πέλμα Κάτω πέλμα Κορμός Άνω πέλμα Κάτω πέλμα Κορμός Άνω πέλμα Κάτω πέλμα Κορμός Άνω πέλμα Κάτω πέλμα Κορμός Άνω πέλμα Κάτω πέλμα Κορμός Άνω πέλμα b 0 [ o C] b 1 [ o C]. mm b [ o C]. mm -,3 -,96 -,6-1,55 -,1-1,79-1,13-1,8-1,67 -,65 -,6-1,54-1,3-1,67-1,0-0,91-1,36-0,99-0,65-1,07-0,9 b 3 [ o C] 86,4 537,7 1148,4 65,1 464,9 767,9 46,7 344, 59,6 114,5 439,6 488,8 47,7 46,5 664,5 3,7 87,8 469,5 19,8 186,1 305, Για σκυρόδεμα με κανονικά αδρανή και R90 έχω: 1 0 Κάτω πέλμα: θ α = * 1,55* 6, ,10*0, *0, 677 = 965 C 9 Ομοίως : Κορμός : θ = 906 o C Άνω πέλμα : θ = 840 o C α Η θερμοκρασία ράβδων οπλισμού μέσα στην νεύρωση δίνεται από την σχέση: α b 4 [ o C] -150,7-351,9-679,8-108,1-340, -47,0-8,8-67,4-379,0-181, -44,0-131,7-81,1-303,0-410,0-60,8-30,3-313,0-43,7-15,6-197, θ s = c 0 + c 1 u h 3 + A ( c ) + ( ) + z + c3 c4 α c5 Lr 3 1 Οι συντελεστές c i για σκυρόδεμα με κανονικά αδρανή και R90 δίνονται από τον πίνακα Πίνακας 6.10: Συντελεστές για τον προσδιορισμό των θερμοκρασιών των ράβδων οπλισμού στη νεύρωση. Σκυρόδεμα Αντοχή έναντι Σκυρόδεμα με κανονικά αδρανή Σκυρόδεμα με αλαφρά 98 πυρκαγιάς [min] c 0 c 1 c [ C]. mm [ o C] [ o C] [ o C].mm [ o C/ o ] [ o C].mm o 0.5 c ,01 1, ,30 1, ,79 1, ,70 0, ,11 1, c 4 c 5

102 αδρανή ,46, ,44, Από την γεωμετρία του χαλυβδόφυλλου έχω : A 50*1 50mm = = κάτωπ έλµ. f = 0,85* f /1,3 = 16,346 kn / m cd ck A = *76, 46 = 15,93mm a = 7,69 u u = 6mm = + = ,1 u = 31,60mm mm Επομένως o συντελεστής z ο οποίος υποδεικνύει τη θέση της ράβδου οπλισμού είναι: = + + = 0, , ,196 = 0,54 z u u u Άρα 1 3 z = 1,85 Επομένως έχουμε: 0 1 o θ s = * 35*1,85 5,3* 6,17 + 1,39*7, * = 784 C 73 9 Από τις θερμοκρασίες και από τους πίνακες 6.11, 6.1, 6.13 και βάσει της του ΕΝ βρίσκουμε τα k θ με γραμμική παρεμβολή. y, i k =, 0,11 + ((800 θ 785, ) / ( ))*(0,1 0,11) = y 0,11 Πίνακας 6.11: Συντελεστές μείωσης k θ για τις σχέσεις τάσης παραμόρφωσης του δομικού χάλυβα σε υψηλές θερμοκρασίες. 99

103 Θερμοκρασία χάλυβα θ a [ C] k E,θ = Ea, θ k p,θ = E a f ap, θ f ay k y,θ = f ay, θ f ay k u,θ = 0 1,00 1,00 1,00 1, ,00 1,00 1,00 1,5 00 0,90 0,807 1,00 1, ,80 0,613 1,00 1, ,70 0,40 1, ,60 0,360 0, ,31 0,180 0, ,13 0,075 0, ,09 0,050 0, ,0675 0,0375 0, ,0450 0,050 0, ,05 0,015 0, f au, θ f ay Πίνακας 6.1: Τιμές για τις δύο κύριες παραμέτρους των σχέσεων τάσης-παραμόρφωσης του σκυροδέματος κανονικών αδρανών (NC) και του σκυροδέματος ελαφρών αδρανών (LC) σε υψηλές θερμοκρασίες. 100 Θερμοκρασία kc, f c, θ f c ε, θ. σκυροδέματος θ c [ C] NC LC NC 0 1 1, ,0 00 0,95 1 5, ,85 1 7, ,75 0,88 10, ,60 0,76 15, ,45 0,64 5, ,30 0,5 5, ,15 0,40 5, ,08 0,8 5, ,04 0,16 5, ,01 0,04 5, θ = cu 10 Πίνακας 6.13: Συντελεστές μείωσης k θ για τις σχέσεις τάσης-παραμόρφωσης του διαμορφωμένου εν ψυχρώ χάλυβα οπλισμού Θερμοκρασία Es, χάλυβα k E,θ = θ f sp, k p,θ = θ f sy, k y,θ = θ E f f s sy sy θ s [ C] 0 1,00 1,00 1, ,00 0,96 1, ,87 0,9 1, ,7 0,81 1, ,56 0,63 0, ,40 0,44 0,67

104 600 0,4 0,6 0, ,08 0,08 0, ,06 0,06 0, ,05 0,05 0, ,03 0,03 0, ,0 0,0 0, Οι δυνάμεις εφελκυσμού είναι οι εξής: Θερμοκ. θ α k y, θi mm f i yi, MPa i KN κάτω πέλμα 965 0, ,75 κορμός 906 0,059 15,93 30,887 άνω πέλμα 840 0, ,650 οπλισμός 784 0,11 113, ,334 Θεωρούμε ότι ο ουδέτερος άξονας είναι πάνω από τα χαλυβδόφυλλα. n f m y,i A k A k y, θ,i + α slab j c, θ, j i 1 M, fi, a j 1 (υπολογίζεται με βάση την σχέση : γ = A c, j i = M, fi, c Z = γ f 0 ) z pl Zi 0, 75 +,887 +, ,360 = = = 4, 430mm 3 3 0,85*( l1+ l3)*5*10 0,85*(95,5 + 9)*5*10 <80mm (ποιότητα σκυροδέματος C 5/30,οι συντελεστές γ Μ προσδιορίζονται ίσοι με την μονάδα) Οι αντίστοιχες ροπές αντοχής είναι οι εξής: Ζi(KN) zi(m) Mi(KN*m_) κάτω πέλμα 0,75 0,149 0,11 κορμός,887 0,11 0,33 άνω πέλμα,650 0,076 0,01 οπλισμός 6,334 0,13 0,800 σκυρόδεμα 16,946 0,00-0,034 διατομής συν 1,406 KNm Όπου αντοχή σκυροδέματος: f = 0,85 * f /1,3 = 1, 63 kn / cm cd ck Σημείωση: Βάσει της παραγράφου του ΕΝ προκειμένου να υπολογιστεί η θετική καμπτική ροπή αντοχής θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη το θλιβόμενο σκυρόδεμα της πλάκας, το άνω πέλμα της χαλύβδινης διατομής, ο κορμός της χαλύβδινης διατομής, το κάτω πέλμα της χαλύβδινης διατομής και οι ράβδοι οπλισμού. Για καθένα από τα τμήματα αυτά της διατομής, μπορεί ένας αντίστοιχος κανόνας να ορίζει την επίδραση της θερμοκρασίας. Το 101

105 σκυρόδεμα σε εφελκυσμό της πλάκας και το σκυρόδεμα μεταξύ των πελμάτων της χαλύβδινης διατομής θα πρέπει να μη λαμβάνονται υπόψη. Σε πλάτος 187,5mm έχουμε: 1,406 /(0,0955+0,090)=7,5KNm/m>,69KNm/m M fi,rd+ =7,5KNm/m Δηλαδή ισχύει M fi,rd+ > Μ fi,sd+ και άρα δεκτό. γ) Υπολογισμός της αρνητικής καμπτικής ροπής αντοχής Mfi,Rd-: Η αρνητική ροπή αντοχής σε κάμψη της πλάκας υπολογίζεται λαμβάνοντας υπόψη μια μειωμένη διατομή. Τα τμήματα της διατομής, με θερμοκρασίες μεγαλύτερες από μια συγκεκριμένη οριακή θερμοκρασία θ lim, δε λαμβάνονται υπόψη. Η εναπομένουσα διατομή θεωρείται ως υπό συνθήκες θερμοκρασίας δωματίου. Η συμβολή του χαλυβδόφυλλου αμελείται (συντηρητική προσέγγιση). Υπολογίζουμε το θ lim. θ lim A = d0 + d1 N s + d + d 3 Φ + d L r Για σκυρόδεμα με κανονικά αδρανή από πίνακα D.3.3 παίρνουμε τους συντελεστές di Πίνακας 6.14: Συντελεστές για τον προσδιορισμό της οριακής θερμοκρασίας περιορισμού. Σκυρόδεμα Αντοχή έναντι πυρκαγιάς [min] d 0 [ o C] d 1 [ o C]. N d [ o C]. mm d 3 [ o C] Σκυρόδεμα με κανονικά αδρανή Σκυρόδεμα με ελαφρά αδρανή , , , , , , , ,75-9,91-9,71-3,43-10,95-10,88-10, d 4 [ o C]. mm (έχει θεωρηθεί άνω σχάρα Φ8/0) 10

106 N = A * f S s ay 187,5 π *8 As = * = 47,1mm 00 4 N Ns = 47,1 mm *500 = 3,56 KN mm θlim = (, *10 )* 3561,94 9,91* 6,17 154*0, ( 1990)* = 669, 0 C 9 Προσδιορισμός της παραμέτρου z από την εξίσωση: u h 3 s θ = + s c0 c Θεωρώντας = 0,75 θ = θ im 1 u h 3 + A ( c ) + ( ) + z + c3 c4 α c5 Lr , 0 = *0,75 + ( 35)* z 5,30*6,17 + 1,39*7,69 167* 9 35* z = 49,37 z = 1,87 1 Οι συντεταγμένες των τεσσάρων σημείων I,ΙΙ,III και IV δίδονται από: X I = 0 Y I = Y II = 1 z X II 1 YI = + α sinα ( cos 1) h α = arctan με: 1 Εναπομένουσα Διατομή Y N s =Af ay III I II IV y M=N s y X f c 103

107 X III 1 = 1 b sinα με: 1 a = z 1 h 1 sinα Y III = h με: b = 1 a 4a + c 1 sinα 1 a IV 1 1 = 1 + X με: c = 8 ( a ); a 8 3 Y = h IV + b με: c = + 8 ( a ); a < 8 Επομένως οι συντεταγμένες της εναπομένουσας διατομής είναι οι εξής: έχω : 1 Y = Y = = 15,38mm I II 1 4 ( ) 1,87 95,5+ 9 X II 1 15,38 = *50 + *(cos 7, 69 1) = 13, 68mm sin 7,69 *73 0 α = arctan( ) = 7, 69 95, a = ( )*95,5*sin 7, 69 = 39, 3 1, , 3 4*39, 3 58, 74 b = *95,5*sin 7, 69*(1 39, 3 b = 3,31 a 8 c= 8*( , 3) = 58, 74 X Y III III 1 3,31 = *95,5 = 44,8mm sin 7,69 = 73mm X Y IV IV 1 1 = *95,5 + *9 = 93, 75mm = 73+ 3,31 = 76,31 mm Θεωρούμε ότι ο πλαστικός ουδέτερος άξονας είναι στην κυψέλη της εναπομένουσας n f m f y,i c, j A k A k i y, θ,i + α slab j c,, j = 0 θ i= 1 M, fi, a j 1 M, fi, c διατομής. Υπολογίζεται με βάση την σχέση : γ = γ 104

108 187,5 80,00 76,69 υδεξονας47,75 46,8 ΙΙΙ ΙV 60,93 Ι ΙΙ 73,00 z0 ο76,31 τ. ά13,68 5,00 3,56 z0 = 76,69 = 40,04mm 3 30, 5*0,85* 5*10 76,69 40,04 M = Ns* ys = 3,56( KN)*(40, )( mm) = 903,88 KN * mm = 0,904 KN * m Σε 187,5mm έχουμε : M = 0,904 / 0,1875 = 4,8 KN * m / m > 4, 78 KN * m / m Όπου 4,78 KN * m / m η δρώσα ροπή στο άνοιγμα. Και άρα ισχύει Mfi,Rd- > Μfi,d- και άρα δεκτή η διατομή του χαλυβδόφυλλου που επιλέξαμε. 6.. Παρατηρήσεις και Συμπεράσματα Απαιτείται ενδιάμεση υποστήριξη στο μέσον του φατνώματος κατά την φάση κατασκευής. Επάρκεια όλων των ελέγχων στη φάση κατασκευής και φάση λειτουργίας. Επάρκεια όλων των ελέγχων σε κατάσταση πυρκαγιάς για R90. Σωστή επιλογή δείκτη πυραντίστασης. Ικανοποιείται το κριτήριο μόνωσης. Tυχόν αξονική παρεμπόδιση της πλάκας δεν έχει ληφθεί υπόψη. Υψηλή πυροπροστασία με R90. Το κριτήριο Ε ακεραιότητας, να μην είναι δηλαδή δυνατόν να περάσουν μέσω της πλάκας φλόγες ή καπνός, θεωρείται ότι ικανοποιείται από τις σύμμικτες πλάκες λόγω του συνεχούς χαλυβδόφυλλου. Κρίσιμος στη στήριξη ο πάνω οπλισμός (σχάρα) που οφείλεται στις αρνητικές ροπές αφού η συμβολή των χαλυβδόφυλλων συντηρητικά αγνοείται όπως επίσης και το κάτω τμήμα που βρίσκεται σε θ>θ lim Για τις σύμμικτες πλάκες θεωρείται με βάση την πειραματική έρευνα ότι γενικά μπορούν να αναπτύξουν, υπό συνθήκες πυρκαγιάς, τις πλαστικές αντοχές τους. Με βάση την παραδοχή αυτή μπορεί να προσδιορίζεται η θέση του ουδέτερου άξονα και, εν συνέχεια, η ροπή αντοχής. 105

109 Όλοι οι υπολογισμοί έγιναν για σκυρόδεμα με κανονικά αδρανή. 6.3 Διερεύνηση Ενδεικτικά αναφέρεται ότι αν απουσιάσουν οι ράβδοι οπλισμού Φ1 από τις νευρώσεις του χαλυβδόφυλλου στις περιοχές των ανοιγμάτων τότε η θετική καμπτική ροπή αντοχής της διατομής θα μειωθεί κατά περίπου 60%! πλησιάζοντας τη θετική δρώσα ροπή (Μ fi,d+ =,7KNm/m). Εφόσον έχουν επαρκή επικάλυψη αποτελούν τον οπλισμό που δίνει την απαιτούμενη εφελκυστική αντοχή σε κατάσταση πυρκαγιάς. Δηλαδή οι αντίστοιχες ροπές αντοχής θα είναι οι εξής: Ζi(KN) zi(m) Mi(KN*m_) κάτω πέλμα 0,75 0,149 0,11 κορμός,887 0,11 0,33 άνω πέλμα,650 0,076 0,01 οπλισμός σκυρόδεμα 16,946 0,00-0,034 διατομής συν 0,60 KNm Σε πλάτος 187,5mm θα έχουμε: M fi,rd+ =0,60 /(0,0955+0,090)=3,KNm/m Άρα μείωση της συνολικής αντοχής της διατομής κατά περίπου 60% Αξιοσημείωτο είναι επίσης το πόσο κρίσιμη είναι η θέση των ράβδων μέσα στις νευρώσεις του χαλυβδόφυλλου στην τιμή της αντοχής όλης της διατομής. Στο πλαίσιο διερεύνησης επιχειρήθηκε αρχικά μείωση της κατακόρυφης αξονικής απόστασης από το κάτω πέλμα u 3 κατά 1cm. Τα αποτελέσματα αναφέρονται για δεδομένο δείκτη πυραντίστασης R90, που αρχικά επιλέχθηκε. Παρακάτω παρουσιάζεται η πορεία: 106

110 a = 7,69 u u = 16mm = 9,7mm u = 8,7mm = + + = 0, ,183+ 0, 5 = 0, 6 z u u u Άρα z ' = 1, Επομένως η νέα θερμοκρασία ράβδων οπλισμού θα γίνει: 0 1 o θ s ' = * 35*1, 613 5,3* 6,17 + 1,39*7, * = 841,5 C 73 9 και με γραμμική παρεμβολή από τον Πίνακα 6.13 παίρνουμε: k =, 0, 08 + (( ,5) / (900 θ 800))*(0,11 0, 08) = y 0, 098 Η νέα δύναμη εφελκυσμού των ράβδων θα είναι η εξής: mm f i yi, MPa i KN Θερμοκ. θ α k y, θi οπλισμός 841,5 0, , ,5 A Z Ζi(KN) zi(m) Mi(KN*m_) κάτω πέλμα 0,75 0,149 0,11 κορμός,887 0,11 0,33 άνω πέλμα,650 0,076 0,01 οπλισμός 5,50 0,133 0,730 σκυρόδεμα 16,946 0,00-0,034 διατομής συν 1,3 KNm Σε πλάτος 187,5mm θα έχουμε: M fi,rd+ =1,3 /(0,0955+0,090)= 7KNm/m Άρα μείωση της συνολικής αντοχής της διατομής κατά περίπου 7% Με το ίδιο σκεπτικό επιχειρείται μείωση από την αρχική κατάσταση της αξονικής απόστασης u των ράβδων οπλισμού, πλησιάζοντας στον κορμό του χαλυβδόφυλλου κατά εκατοστά. Τα αποτελέσματα αναφέρονται για δεδομένο δείκτη πυραντίστασης R90, που αρχικά επιλέχθηκε. Η επίδραση της αλλαγής αυτής παρουσιάζεται παρακάτω. 107

111 Η νέα διάταξη των οπλισμών φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: a = 7,69 u u = 6mm = 1,5mm u = 50,7mm = + + = 0,14 + 0, ,196 = 0, 619 z u u u 1 3 Άρα z ' = 1, 616 Επομένως η νέα θερμοκρασία ράβδων οπλισμού θα γίνει: 0 1 o θ s ' = * 35*1, 616 5,3* 6,17 + 1,39*7, * = 840, 7 C 73 9 και με γραμμική παρεμβολή από τον Πίνακα 3.4 παίρνουμε: k =, 0, 08 + (( ,5) / (900 θ 800))*(0,11 0, 08) = y 0, 098 Η νέα δύναμη εφελκυσμού των ράβδων θα είναι η εξής: mm f i yi, MPa i KN Θερμοκ. θ α k y, θi οπλισμός 840,7 0, , ,5 A Z 108 Ζi(KN) zi(m) Mi(KN*m_) κάτω πέλμα 0,75 0,149 0,11 κορμός,887 0,11 0,33 άνω πέλμα,650 0,076 0,01 οπλισμός 5,50 0,13 0,676

112 σκυρόδεμα 16,946 0,00-0,034 διατομής συν 1,8 KNm Σε πλάτος 187,5mm θα έχουμε: M fi,rd+ =1,8 /(0,0955+0,090)=6,83KNm/m Άρα μείωση της συνολικής αντοχής της διατομής κατά περίπου 10% 109

113 7 Παράρτημα G: Προσομοίωμα ισόρροπου αθροίσματος για τον υπολογισμό της αντοχής έναντι πυρκαγιάς σύμμικτων υποστυλωμάτων, με μερικώς εγκιβωτισμένες διατομές χάλυβα, για κάμψη περί τον ασθενή άξονα, τα οποία εκτίθενται σε πυρκαγιά γύρω από το υποστύλωμα σύμφωνα με την πρότυπη καμπύλη θερμοκρασίας χρόνου. 7.1 Εισαγωγή Στο παρόν παράρτημα του ΕΝ παρουσιάζεται μια μέθοδός υπολογισμού της αντοχής έναντι πυρκαγιάς μερικώς εγκιβωτισμένων σύμμικτων υποστυλωμάτων. Σύμφωνα με της βασικές διατάξεις του ΕΝ στα απλά προσομοιώματα υπολογισμού η τιμή σχεδιασμού, στην κατάσταση πυρκαγιάς, της αντοχής των σύμμικτων υποστυλωμάτων σε αξονική θλίψη (φορτίο λυγισμού) θα πρέπει να λαμβάνεται από: N fi,rd = χ N fi,pl,rd (7.1) όπου: χ είναι ο συντελεστής μείωσης για την καμπύλη λυγισμού c του του EN και εξαρτάται από την σχετική λυγηρότητα λ θ, N fi,pl,rd είναι η τιμή σχεδιασμού της πλαστικής αντοχής στην αξονική θλίψη στην κατάσταση πυρκαγιάς.το συγκεκριμένο προσομοίωμα έχει αναπτυχθεί μόνο για τον άξονα Z Για τον υπολογισμό της τιμής σχεδιασμού της πλαστικής αντοχής σε αξονική θλιψη N fi,pl,rd και της ενεργούς δυσκαμψίας σε κάμψη ( EI ) fi,eff, z στην κατάσταση πυρκαγιάς, η διατομή διαιρείται σε τέσσερα συστατικά μέρη: - τα πέλματα της χαλύβδινης διατομής, - τον κορμό της χαλύβδινης διατομής, - το σκυρόδεμα το οποίο εγκιβωτίζεται από τη χαλύβδινη διατομή και - τις ράβδους οπλισμού. Κάθε μέρος μπορεί να αξιολογείται βάσει μιας μειωμένης χαρακτηριστικής αντοχής, ενός μειωμένου μέτρου ελαστικότητας και μιας μειωμένης διατομής σύμφωνα με την πρότυπη αντοχή έναντι πυρκαγιάς R30, R60, R90 ή R10. Η τιμή σχεδιασμού της πλαστικής αντοχής σε αξονική θλίψη και η ενεργός δυσκαμψία σε κάμψη της διατομής μπορεί να λαμβάνεται, από το ισόρροπο άθροισμα των αντίστοιχων τιμών των τεσσάρων συστατικών μερών. Δηλαδή ως εξής : 110 N fi,pl,rd = ( A f ) γ + ( A f ) γ ( A f ) a, θ ay, θ M, fi,a s, θ sy, θ M, fi,s + j k m c, θ c, θ γ M, fi,c (7.)

114 όπου: A i,θ είναι η επιφάνεια κάθε στοιχείου της διατομής στο οποίο αποδίδεται μια συγκεκριμένη θερμοκρασία θ. όπου: ( EI ) fi,eff = ϕ a, θ E a, θ I a, θ + ϕ s, θ E s, θ I s, θ + j k I i θ, είναι η ροπή αδρανείας, του μερικώς μειωμένου τμήματος i της διατομής για κάμψη γύρω από τον ασθενή ή ισχυρό άξονα, ϕ i, θ είναι ο συντελεστής μείωσης ο οποίος εξαρτάται από την επίδραση των θερμικών τάσεων. E c,sec, θ είναι η χαρακτηριστική τιμή για το επιβατικό μέτρο ελαστικότητας σκυροδέματος στην κατάσταση πυρκαγιάς, η οποία δίδεται από f και διαιρείται δια του ε c θ, cu, θ Οι ιδιότητες αντοχής και παραμόρφωσης του χάλυβα και του σκυροδέματος σε υψηλές θερμοκρασίες συμμορφώνονται με τις αντίστοιχες αρχές και τους κανόνες του ΕΝ Τέλος υπάρχουν έτοιμα διαγράμματα για τον υπολογισμό του αξονικού φορτίου,τα οποία ισχύουν κάτω από συγκεκριμένες προϋποθέσεις. Παρατίθεται αυτούσιο το παράρτημα και στην συνέχεια τρεις αριθμητικές εφαρμογές. Η 1 η αριθμητική εφαρμογή που ακολουθεί εξετάζει την περίπτωση μερικώς εγκιβωτισμένου υποστυλώματος, πρότυπης χαλύβδινης διατομής, το οποίο αποτελεί μέρος κτιρίου γραφείων και έχει απαίτηση αντοχής έναντι πυρκαγιάς R60 και στην συνέχεια κάνουμε σύγκριση με τα ποινακοποιημένα αποτελέσματα. Ακολουθούν συμπεράσματα και παρατηρήσεις και στη συνέχεια περαιτέρω διερεύνηση με αριθμητικές εφαρμογές αναβαθμίζοντας κάποιο από τα δεδομένα της πρώτης εφαρμογής και εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων. m ϕc, θ E c,sec, θ I c, θ 111

115 7. Αριθμητική εφαρμογή 1 η 7..1 Μερικώς εγκιβωτισμένο υποστύλωμα σε κατάσταση πυρκαγιάς a) εγκάρσια τομή μέσα από το κτίριο b) παραμόρφωση σε θερμοκρασία δωματίου c) παραμόρφωση σε υψηλή θερμοκρασία Σχήμα 1 b Z e f u 1 b c,fi Y h h w,fi b c,fi u e w Σχήμα Πρόκειται για κτίριο με 4 ορόφους και χιαστή κατακόρυφους συνδέσμους δυσκαμψίας. Το ύψος του υποστυλώματος L μεταξύ των ορόφων είναι 4m.Tο υποστύλωμα είναι μέρος σύμμικτου πλαισίου καθένας από τους ορόφους μπορεί να θεωρείται ως πυροδιαμέρισμα με επαρκή αντοχή έναντι πυρκαγιάς. Το μήκος λυγισμού l θ σε κατάσταση πυρκαγιάς είναι μειωμένο, όπως φαίνεται στο σχήμα 1. Θα εξετάσουμε ένα υποστύλωμα σε ενδιάμεσο όροφο. Σε αυτή την περίπτωσή το l θ δίνεται από το L ei 11